DE102020209052A1 - CORROSION-RESISTANT OXIDE FILMS AND APPLICATION FOR BIPOLAR FUEL CELL PLATE - Google Patents

CORROSION-RESISTANT OXIDE FILMS AND APPLICATION FOR BIPOLAR FUEL CELL PLATE Download PDF

Info

Publication number
DE102020209052A1
DE102020209052A1 DE102020209052.1A DE102020209052A DE102020209052A1 DE 102020209052 A1 DE102020209052 A1 DE 102020209052A1 DE 102020209052 A DE102020209052 A DE 102020209052A DE 102020209052 A1 DE102020209052 A1 DE 102020209052A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
substrate
oxide layer
surface area
corrosion
facets
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020209052.1A
Other languages
German (de)
Inventor
Jonathan Mailoa
Boris Kozinsky
Georgy Samsonidze
Sondra Hellstrom
Nathan P. Craig
Mordechai Kornbluth
Lei Cheng
Soo KIM
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of DE102020209052A1 publication Critical patent/DE102020209052A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223Composites
    • H01M8/0228Composites in the form of layered or coated products
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08CLEANING
    • B08BCLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B3/00Cleaning by methods involving the use or presence of liquid or steam
    • B08B3/04Cleaning involving contact with liquid
    • B08B3/08Cleaning involving contact with liquid the liquid having chemical or dissolving effect
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206Metals or alloys
    • H01M8/0208Alloys
    • H01M8/021Alloys based on iron
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0215Glass; Ceramic materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Compounds Of Iron (AREA)

Abstract

Korrosionsbeständige Oxidfilme für die Verwendung mit Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen werden beschrieben. Bipolare Platten von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen sind stark sauren Umgebungen ausgesetzt, die das Massematerial und die damit zusammenhängenden Eigenschaften der bipolaren Platte beeinträchtigen können, wobei dies zu herabgesetzten Lebensdauern von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen führt. Materialien, Strukturen und Techniken zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von bipolaren Platten werden offenbart. Solche Materialien schließen Substrate mit einem Oberflächenbereich ein, der eine Fe2O3-Oxidschicht mit (110)-, (012)- oder (100) Fe2O3-0berflächenfacetten einschließt, die so konfiguriert sind, dass sie dem Substrat Korrosionsbeständigkeitseigenschaften verleihen.Corrosion resistant oxide films for use with proton exchange membrane fuel cells are described. Proton exchange membrane fuel cell bipolar plates are exposed to highly acidic environments which can affect the bulk material and related properties of the bipolar plate, resulting in reduced proton exchange membrane fuel cell lifetimes. Materials, structures, and techniques for increasing the corrosion resistance of bipolar plates are disclosed. Such materials include substrates having a surface area that includes an Fe2O3 oxide layer with (110), (012), or (100) Fe2O3 surface facets configured to impart corrosion resistance properties to the substrate.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Offenbarung ist allgemein auf korrosionsbeständige Oxidfilme in Hinsicht auf die Verwendung für Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen gerichtet. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf bipolare Platten von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen mit korrosionsbeständigen Substratoberflächenstrukturen aus Eisenoxid sowie auf Verfahren zur Herstellung derselben.The present disclosure is directed generally to corrosion resistant oxide films for use in proton exchange membrane fuel cells. In particular, the present disclosure relates to proton exchange membrane fuel cell bipolar plates having corrosion resistant substrate surface structures made of iron oxide and to methods of making the same.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Brennstoffzellen und im Besonderen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) sind vielversprechend als Energiequellen mit hoher Effizienz, hoher Leistungsdichte, relativ geringem Gewicht und ohne Kohlendioxidausstoß für die Verwendung in einem breiten Spektrum von Anwendungen. Solche Anwendungen schließen Transport, stationäre Energieerzeugung und transportable Energieerzeugung ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Besonders relevant für ihre Anwendungen in Automobilen und für mit anderen Transportarten verbundene Anwendungen repräsentiert die PEMFC eine umweltfreundliche Alternative zu internen Verbrennungsmaschinen für eine Vielzahl von Kraftfahrzeugen.Fuel cells, and in particular proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), show promise as energy sources with high efficiency, high power density, relatively light weight and zero carbon dioxide emissions for use in a wide range of applications. Such applications include, but are not limited to, transportation, stationary power generation, and portable power generation. Particularly relevant for its applications in automobiles and for applications associated with other modes of transport, the PEMFC represents an environmentally friendly alternative to internal combustion engines for a large number of vehicles.

PEMFCs arbeiten auf der Basis des Transfers von Protonen zwischen einer Anode und einer Kathode. Schlüsselkomponenten von PEMFCs schließen u.a. eine Protonenaustauschmembran, durch welche Protonen übertragen werden, und eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), in der die Protonenaustauschmembran eingeschlossen ist, ein. PEMFCs schließen auch bipolare Platten (BPPs) ein, die einzelne Brennstoffzellen in Reihe verbinden und trennen, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Neben anderen Funktionen liefern BPPs die erforderliche Spannung, unterstützen die Verteilung von Brenn- bzw. Treibgas und Sauerstoff über die aktive Oberfläche der MEA und leiten elektrischen Strom von der Anode einer Zelle zu der Kathode der nächsten innerhalb des Stapels. Im Hinblick auf eine solche Funktionalität müssen BPPs nicht nur ausreichend chemisch inert sein, um einem Abbau in der hoch korrosiven Umgebung der Brennstoffzelle zu widerstehen, sondern auch ausreichend elektrisch leitend, um den Elektronentransfer für die Sauerstoffreduktionsreaktion der Brennstoffzelle zu ermöglichen.PEMFCs work on the basis of the transfer of protons between an anode and a cathode. Key components of PEMFCs include a proton exchange membrane, through which protons are transferred, and a membrane-electrode assembly (MEA), in which the proton exchange membrane is enclosed. PEMFCs also include bipolar plates (BPPs) that connect and disconnect individual fuel cells in series to form a fuel cell stack. Among other functions, BPPs provide the necessary voltage, help distribute fuel or propellant gas and oxygen over the active surface of the MEA, and conduct electrical current from the anode of one cell to the cathode of the next within the stack. With regard to such functionality, BPPs must not only be sufficiently chemically inert to withstand degradation in the highly corrosive environment of the fuel cell, but also sufficiently electrically conductive to allow electron transfer for the oxygen reduction reaction of the fuel cell.

BPPs können 60 bis 80% des Gewichts des PEMFC-Stapels ausmachen und gehören zu den teuersten PEMFC-Komponenten, die oft zwischen 25% und 45% der Stapelkosten beitragen. Obwohl andere Metalle, wie Titan und Aluminium, verwendet werden können, werden BPPs typischerweise aus rostfreiem Stahl hergestellt. Da der PEMFC-Betrieb typischerweise in stark sauren Umgebungen stattfindet, sind BPP-Materialien mit hoher Korrosionsbeständigkeit für den Langzeit-PEMFC-Betrieb erwünscht. Behandlungstechniken, wie das Einführen von leitenden Oxid- und/oder Nitrid-Überzügen für BPPs aus rostfreiem Stahl können zur Verbesserung ihrer Lebensdauer in der sauren PEMFC-Umgebung beitragen. Trotz des Potentials solcher Techniken ist die korrodierende Entstehung von Fe2O3 unvermeidbar, wenn Fe-Metall gegenüber Wasser und Sauerstoff ausgesetzt wird, wie es unter den sauren Betriebsbedingungen der PEMFC-Umgebung stattfindet. Demzufolge sind Materialien, Strukturen und Techniken für die Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von BPP-Materialien erwünscht.BPPs can make up 60 to 80% of the weight of the PEMFC stack and are among the most expensive PEMFC components, often accounting for between 25% and 45% of the stack cost. Although other metals such as titanium and aluminum can be used, BPPs are typically made from stainless steel. Since PEMFC operation typically takes place in highly acidic environments, BPP materials with high corrosion resistance are desirable for long term PEMFC operation. Treatment techniques such as the introduction of conductive oxide and / or nitride coatings for stainless steel BPPs can help improve their lifespan in the acidic PEMFC environment. Despite the potential of such techniques, the corrosive formation of Fe 2 O 3 is inevitable when Fe metal is exposed to water and oxygen, as occurs under the acidic operating conditions of the PEMFC environment. Accordingly, materials, structures, and techniques for increasing the corrosion resistance of BPP materials are desired.

KURZFASSUNGSHORT VERSION

In wenigstens einer Ausführungsform wird ein korrosionsbeständiges Substrat offenbart. Das Substrat kann einen Massenbereich und einen Oberflächenbereich, der eine Fe2O3-Oxidschicht mit (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten aufweist, die konfiguriert sind, um dem Substrat Korrosionsbeständigkeitseigenschaften zu verleihen, einschließen. In einigen Ausführungsformen ist die Fe2O3-Oxidschicht zwischen 0,001 und 0,5 µm dick. Des Weiteren kann die Fe2O3-Oxidschicht des korrosionsbeständigen Substrats durch eine Oberflächenmorphologie mit einer ersten Oberflächenfacettengruppe, die (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten einschließt, und einer zweiten Oberflächenfacettengruppe, die (001)- oder (101)-Fe2O3-Oberflächenfacetten einschließt, so charakterisiert sein, dass die Fe2O3-Oxidschicht vorwiegend aus der ersten Oberflächenfacettengruppe aufgebaut ist. In Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsform(en) kann der Oberflächenbereich des korrosionsbeständigen Substrats einen schützenden Überzug einschließen, der MgO, Al2O3, TiO2 oder ZrO2 umfasst. In einer anderen Ausführungsform kann der Oberflächenbereich des korrosionsbeständigen Substrats einen schützenden Überzug einschließen, der aus ternären (oder höheren) chemischen Verbindungen, wie, zum Beispiel ABOx, gebildet ist, wobei A Mg, Al, Ti oder Zr ist, B Zn, Sn, Cr oder Mo ist und x eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis 8 ist.In at least one embodiment, a corrosion resistant substrate is disclosed. The substrate may have a bulk region and a surface region comprising an Fe 2 O 3 oxide layer with (110), (012), or (100) Fe 2 O 3 surface facets configured to impart corrosion resistance properties to the substrate , lock in. In some embodiments, the Fe 2 O 3 oxide layer is between 0.001 and 0.5 µm thick. Furthermore, the Fe 2 O 3 oxide layer of the corrosion-resistant substrate can be formed by a surface morphology with a first surface facet group that includes (110), (012) or (100) -Fe 2 O 3 surface facets, and a second surface facet group that includes (001) - or (101) -Fe 2 O 3 surface facets, be characterized in such a way that the Fe 2 O 3 oxide layer is predominantly built up from the first group of surface facets. In accordance with one or more embodiments, the surface area of the corrosion resistant substrate can include a protective coating comprising MgO, Al 2 O 3 , TiO 2, or ZrO 2 . In another embodiment, the surface area of the corrosion resistant substrate can include a protective coating formed from ternary (or higher) chemical compounds such as, for example, ABO x , where A is Mg, Al, Ti or Zr, B is Zn, Sn , Cr or Mo and x is an integer ranging from 1 to 8.

In einer anderen Ausführungsform wird eine bipolare Platte (BPP) für eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) offenbart. Die BPP kann ein korrosionsbeständiges Substrat, welches einen Massenbereich und einen Oberflächenbereich, der eine Fe2O3-Oxidschicht mit (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten umfasst, die konfiguriert sind, um dem Substrat Korrosionsbeständigkeitseigenschaften zu verleihen, aufweist, einschließen. In einigen Ausführungsformen ist die Fe2O3-Oxidschicht zwischen 0,001 und 0,5 µm dick. Die Fe2O3-Oxidschicht des korrosionsbeständigen Substrats kann durch eine Oberflächenmorphologie mit einer ersten Oberflächenfacettengruppe, die (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten einschließt, und einer zweiten Oberflächenfacettengruppe, die (001)- oder (101)-Fe2O3-Oberflächenfacetten einschließt, derartig charakterisiert sein, dass die Fe2O3-Oxidschicht vorwiegend aus der ersten Oberflächenfacettengruppe aufgebaut ist. Das BPP-Substrat kann aus rostfreiem Stahl aufgebaut sein. Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsform(en) kann der Oberflächenbereich des BPP-Substrats einen schützenden Überzug einschließen, der MgO, Al2O3, TiO2 oder ZrO2 umfasst. In einer anderen Ausführungsform kann der Oberflächenbereich des BPP-Substrats einen schützenden Überzug einschließen, der aus ternären (oder höheren) chemischen Verbindungen, wie zum Beispiel ABOx, gebildet wird, wobei A Mg, Al, Ti oder Zr ist, B Zn, Sn, Cr oder Mo ist und x eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis 8 ist. In einer oder mehreren der Ausführungsformen ist die Korrosionsbeständigkeit des Oberflächenbereichs des BPP-Substrats weniger als 1 µA cm-2 bei 80°C, einem pH-Wert zwischen 2 und 3 und in der Gegenwart von etwa 0,1 ppm HF.In another embodiment, a bipolar plate (BPP) for a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is disclosed. The BPP may be a corrosion-resistant substrate that includes a bulk area and a surface area comprising an Fe 2 O 3 oxide layer with (110), (012), or (100) -Fe 2 O 3 surface facets configured to imparting corrosion resistance properties to the substrate. In some embodiments, the Fe 2 O 3 oxide layer is between 0.001 and 0.5 µm thick. The Fe 2 O 3 oxide layer of the corrosion-resistant substrate can be formed by a surface morphology with a first surface facet group including (110), (012) or (100) -Fe 2 O 3 surface facets and a second surface facet group including (001 ) or (101) -Fe 2 O 3 surface facets, be characterized in such a way that the Fe 2 O 3 oxide layer is predominantly built up from the first group of surface facets. The BPP substrate can be constructed from stainless steel. In one or more embodiment (s), the surface area of the BPP substrate can include a protective coating comprising MgO, Al 2 O 3 , TiO 2, or ZrO 2 . In another embodiment, the surface area of the BPP substrate can include a protective coating formed from ternary (or higher) chemical compounds such as ABO x , where A is Mg, Al, Ti or Zr, B is Zn, Sn , Cr or Mo and x is an integer ranging from 1 to 8. In one or more of the embodiments, the corrosion resistance of the surface area of the BPP substrate is less than 1 µA cm -2 at 80 ° C, a pH between 2 and 3, and in the presence of about 0.1 ppm HF.

In noch anderen Ausführungsformen werden Verfahren zur Herstellung von korrosionsbeständigen Substraten offenbart. Gemäß wenigstens einer Ausführungsform kann das Verfahren das Reinigen eines Substrats aus rostfreiem Stahl mit einem organischen Lösungsmittel und das elektrochemische Oxidieren des Substrats aus rostfreiem Stahl einschließen, um einen korrosionsbeständigen Oberflächenbereich, der eine Fe2O3-Oxidschicht mit (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-0berflächenfacetten einschließt, zu bilden. In einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren das Wachsen Lassen des Fe2O3-Oxidfilms auf einem Substrat aus rostfreiem Stahl durch die Anwendung eines Verfahrens auf der Grundlage einer Lösung einschließen. In einem Beispiel kann eine Hydrolyse bei 80 bis 100°C in einem Wasserbad mit einer unterschiedlichen Alterungszeit von 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 oder 60 Minuten durchgeführt werden. In anderen Beispielen wird eine Hydrolyse bei 25 bis 100°C in einem Wasserbad mit einer Alterungszeit zwischen 1 und 120 Minuten durchgeführt.In yet other embodiments, methods of making corrosion resistant substrates are disclosed. In at least one embodiment, the method may include cleaning a stainless steel substrate with an organic solvent and electrochemically oxidizing the stainless steel substrate to form a corrosion resistant surface area having an Fe 2 O 3 oxide layer with (110) -, (012 ) - or (100) -Fe 2 O 3 surface facets. In another embodiment, the method may include growing the Fe 2 O 3 oxide film on a stainless steel substrate by using a solution based method. In one example, hydrolysis at 80 to 100 ° C in a water bath with a different aging time of 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 or 60 minutes. In other examples, hydrolysis is carried out at 25 to 100 ° C. in a water bath with an aging time between 1 and 120 minutes.

FigurenlisteFigure list

  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, die eine bipolare Platte gemäß einer oder mehreren Ausführungsform(en) einschließt;The 1 FIG. 10 is a schematic representation of a proton exchange membrane fuel cell including a bipolar plate in accordance with one or more embodiments;
  • Die 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines nicht-einschränkenden Beispiels einer bipolaren Platte mit einem Oberflächenbereich, der eine korrosionsbeständige Eisenoxidstruktur gemäß einer oder mehreren Ausführungsform(en) einschließt;The 2 Figure 12 is a perspective view of a non-limiting example of a bipolar plate having a surface area that includes a corrosion resistant iron oxide structure in accordance with one or more embodiments;
  • Die 3A bis 3E stellen morphologisch signifikante atomare Strukturen von α-Fe2O3-Eisenoxidoberflächen dar;The 3A to 3E represent morphologically significant atomic structures of α-Fe 2 O 3 iron oxide surfaces;
  • Die 4A bis 4E stellen atomare Strukturen von Eisenoxidoberflächen, die eine -OH-Terminierung einschließen, dar;The 4A to 4E represent atomic structures of iron oxide surfaces including an -OH termination;
  • Die 5 zeigt eine Graphik, welche die Oberflächenenergie von Eisenoxidoberflächen als eine Funktion einer zunehmenden -OH-Terminierung darstellt;The 5 Figure 12 is a graph showing the surface energy of iron oxide surfaces as a function of increasing -OH termination;
  • Die 6A und 6B zeigen Graphiken, in welchen der Gitterparameter c und der berechnete Bandabstand von Fe2O3, wenn unterschiedliche U-Werte auf Fe in den Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen angewandt werden, aufgetragen ist;The 6A and 6B are graphs plotting the lattice parameter c and the calculated band gap of Fe 2 O 3 when different U-values are applied to Fe in density functional theory (DFT) calculations;
  • Die 7A bis 7D zeigen Graphiken der Dichte von Zuständen (DOS) von Fe2O3 bei unterschiedlichen U-Werten; undThe 7A to 7D show graphs of the density of states (DOS) of Fe 2 O 3 at different U-values; and
  • Die 8A und 8B zeigen Beispiele von Pulver-Röntgenbeugungs (XRD)-Graphiken für zwei verschiedene Fe2O3-Proben.The 8A and 8B show examples of powder X-ray diffraction (XRD) graphics for two different Fe 2 O 3 samples.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Hierin sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten überzeichnet oder minimiert sein, um Details von speziellen Komponenten zu zeigen. Deshalb sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hierin offenbart werden, nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um eine Fachperson zu unterweisen, die vorliegende Erfindung in unterschiedlicher Weise anzuwenden. Wie Personen mit den üblichen Fachkenntnissen verstehen werden, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen, die in einer anderen oder mehreren anderen der Figuren veranschaulicht werden, kombiniert werden, um Ausführungsformen bereitzustellen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von Merkmalen, die veranschaulicht werden, stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmenden Merkmale könnten jedoch für spezielle Anwendungen oder Durchführungen erwünscht sein.Embodiments of the present disclosure are described herein. It should be understood, however, that the disclosed embodiments are merely examples, and other embodiments may take various and alternative forms. The figures are not necessarily to scale; some features might be exaggerated or minimized to show details of specific components. Therefore, specific structural and functional details disclosed herein are not to be construed as limiting, but merely as a representative basis for instructing one skilled in the art to practice the present invention in various ways. As those of ordinary skill in the art will understand, various features illustrated and described with reference to any one of the figures may be combined with features illustrated in another or more others of the figures to provide embodiments that do not specifically illustrated or described. The combinations of features that are illustrated provide representative embodiments for typical applications. Various combinations and modifications of the features consistent with the teachings of this disclosure, however, may be desired for particular applications or implementations.

Die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als für einen bestimmten Zweck in Verbindung mit einer oder mehreren der Ausführungsformen geeignet impliziert, dass Mischungen aus zwei oder mehr beliebigen Mitgliedern der Gruppe oder Klasse geeignet sind. Die Beschreibung von Bestandteilen in chemischen Begriffen bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Zugabe zu jeder beliebigen Kombination, die in der Beschreibung spezifiziert wird, und schließt nicht notwendigerweise chemische Wechselwirkungen unter Bestandteilen der Mischung, nachdem sie vermischt wurden, aus.The description of a group or class of materials as suitable for a particular purpose in connection with one or more of the embodiments implies that mixtures of any two or more members of the group or class are suitable. Description of ingredients in chemical terms refers to the ingredients at the time of addition to any combination specified in the description and does not necessarily preclude chemical interactions among ingredients of the mixture after they have been mixed.

Außer wenn es ausdrücklich angegeben wurde, verstehen sich alle zahlenmäßigen Mengenangaben in dieser Beschreibung, die Dimensionen oder Materialeigenschaften angeben, als durch das Wort „etwa“ bei der Beschreibung des am weitesten gefassten Umfangs der vorliegenden Offenbarung modifiziert.Unless expressly stated, all numerical quantities in this specification that indicate dimensions or material properties are understood to be modified by the word “about” in describing the broadest scope of the present disclosure.

Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung trifft auf alle anschließenden Verwendungen derselben Abkürzung hierin zu und trifft in entsprechender Anwendung auf normale grammatikalische Abwandlungen der zu Beginn definierten Abkürzung zu. Soweit nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges festgestellt ist, wird der Messwert einer Eigenschaft durch dieselbe Methode, wie zuvor oder später für dieselbe Eigenschaft als Bezug angegeben, bestimmt.The first definition of an acronym or other abbreviation applies to all subsequent uses of the same abbreviation herein and, when applied accordingly, applies to normal grammatical modifications of the abbreviation defined at the beginning. Unless expressly stated otherwise, the measured value of a property is determined by the same method as previously or later stated for the same property as a reference.

Im Einzelnen wird auf Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren von Ausführungsformen, die den Erfindern bekannt sind, Bezug genommen. Allerdings sollte es sich verstehen, dass offenbarte Ausführungsformen lediglich Beispiele der vorliegenden Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert sein können. Deshalb sollen hierin offenbarte spezifische Details nicht als einschränkend ausgelegt werden, sondern lediglich als repräsentative Grundlagen, um eine Fachperson zu unterweisen, wie man die vorliegende Erfindung in unterschiedlicher Weise anwendet.Particular reference is made to compositions, embodiments, and methods of embodiments known to the inventors. However, it should be understood that disclosed embodiments are merely examples of the present invention, which may be embodied in various and alternative forms. Therefore, the specific details disclosed herein are not to be construed as limiting, but merely as representative bases for teaching one skilled in the art how to use the present invention in various ways.

Der Begriff „im Wesentlichen“ oder „etwa“ kann hierin zur Beschreibung von offenbarten oder beanspruchten Ausführungsformen verwendet werden. Der Begriff „im Wesentlichen“ oder „etwa“ kann einen Wert oder ein relatives charakteristisches Merkmal modifizieren, das in der vorliegenden Offenbarung offenbart oder beansprucht wird. In solchen Fällen kann „im Wesentlichen“ oder „etwa“ bedeuten, dass der Wert oder das relative charakteristische Merkmal, welchen bzw. welches es modifiziert, innerhalb von ± 0%, 0,1%, 0,5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5% oder 10% des Wertes oder des relativen charakteristischen Merkmals liegt.The term “substantially” or “about” may be used herein to describe disclosed or claimed embodiments. The term “substantially” or “about” may modify a value or a relative characteristic that is disclosed or claimed in the present disclosure. In such cases, “substantially” or “approximately” can mean that the value or the relative characteristic which it modifies is within ± 0%, 0.1%, 0.5%, 1%, 2 %, 3%, 4%, 5% or 10% of the value or the relative characteristic feature.

Korrosion ist ein natürlicher Prozess, der ein veredeltes Metall in eine chemisch stabilere Form, wie das bzw. die Oxid(e), Hydroxid(en), Sulfid(e) und/oder andere Salze des Metalls, umwandelt. Die Umwandlung stellt eine allmähliche Zerstörung des Metallmaterials dar, die durch elektrochemische Oxidation des Metalls bei der Reaktion mit einem Oxidationsmittel, wie Sauerstoff oder Sulfate, verursacht wird. Korrosion kann durch Exposition des Metallsubstrats gegenüber Feuchtigkeit in der Luft, gegenüber einer Lösung mit einem relativ niedrigen pH-Wert, verschiedenen chemischen Substanzen, wie Säuren, Mikroben, erhöhten Temperaturen und/oder anderen Faktoren hervorgerufen werden. Besonders in sauren Umgebungen beginnt eine Korrosion an der Grenzfläche zwischen der Masse eines Metallmaterials (z. B. Stahl) und einer Lösung (z. B. in Wasser oder einer Oberflächenschicht aus Wasser gelöste Ionen, die unter Zersetzung des Massenmaterials reagieren).Corrosion is a natural process that converts a refined metal into a more chemically stable form, such as the oxide (s), hydroxide (s), sulfide (s) and / or other salts of the metal. The conversion represents a gradual destruction of the metal material caused by electrochemical oxidation of the metal upon reaction with an oxidizing agent such as oxygen or sulfates. Corrosion can result from exposure of the metal substrate to moisture in the air, a solution with a relatively low pH, various chemical substances such as acids, microbes, elevated temperatures, and / or other factors. Particularly in acidic environments, corrosion begins at the interface between the bulk of a metal material (e.g. steel) and a solution (e.g. ions dissolved in water or a surface layer of water which react to decompose the bulk material).

Infolge der stark sauren Betriebsumgebung sind korrosionsbeständige Metalle, Metalloberflächen, Behandlungen und Überzüge von besonderem Nutzen in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC). PEMFCs arbeiten typischerweise unter sauren Bedingungen, wobei der pH-Wert üblicherweise zwischen 2 und 4 liegt. Die Betriebstemperaturen innerhalb eines PEMFC-Stapels reichen von ungefähr 60 bis 85°C. Diese und andere Faktoren tragen zu der stark korrosiven Betriebsumgebung von PEMFCs bei. Zwischen dem Hochfahren und dem Abschalten existieren zum Beispiel niedrige Spannungen innerhalb des PEMFC-Stapels, und während des PEMFC-Betriebs werden Fluorionen infolge des Abbaus der Polymermembran freigesetzt. Des Weiteren liegen sowohl H2 als auch O2 an der Anode während des Hochfahrens und Abschaltens vor, wobei dies ein hohes kathodisches Potential verursacht, das zu einer kathodischen Korrosion führt. Angesichts solcher Bedingungen erfordern PEMFCs langlebige Komponenten, die in der Lage sind, der korrosiven Betriebsumgebung zu widerstehen.Due to the highly acidic operating environment, corrosion resistant metals, metal surfaces, treatments, and coatings are of particular use in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). PEMFCs typically operate under acidic conditions, with the pH usually between 2 and 4. Operating temperatures within a PEMFC stack range from approximately 60 to 85 ° C. These and other factors contribute to the highly corrosive operating environment of PEMFCs. For example, between startup and shutdown there are low voltages within the PEMFC stack, and fluorine ions are released during PEMFC operation as a result of the degradation of the Polymer membrane released. Furthermore, both H 2 and O 2 are present at the anode during start-up and shutdown, which causes a high cathodic potential, which leads to cathodic corrosion. In light of such conditions, PEMFCs require durable components that are able to withstand the corrosive operating environment.

Frühere Brennstoffzellensysteme verwendeten häufig Graphit für die bipolare Platte (BPP) der PEMFC, weil Graphit eine hohe chemische Stabilität und Leitfähigkeit innerhalb der PEMFC-Umgebung erreichen kann. Graphit ist jedoch sowohl spröde als auch teuer. Rostfreier Stahl gilt heutzutage gemeinhin aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Stabilität, elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten und seiner relativ einfachen Herstellung als einer der besten Kandidaten für BPPs. Rostfreier Stahl ist natürlich die allgemeine Bezeichnung für eine Reihe von verschiedenen Stahlzusammensetzungen. Rostfreie Stähle schließen typischerweise wenigstens 10% Chrom (Cr) ein, das eine stabile Chromoxid-Oberflächenschicht bilden kann, die bekanntermaßen ein „Einfärben“ der Metalloberfläche verhindert. SS304 und SS316 sind zwei der häufigsten Zusammensetzungen von rostfreiem Stahl. SS304 enthält 18% Cr und 8% Nickel (N1). SS316 enthält 16% Cr, 10% Ni und 2% Molybdän (Mo). In Abhängigkeit von der Art der jeweiligen Anwendung können Zusammensetzungen aus rostfreiem Stahl variiert werden. Eine solche Variation führt zu ausgeprägten mechanischen Stabilitäten, Korrosionsbeständigkeiten und magnetischen Eigenschaften. Wie bekannt ist, schließen, abgesehen von Eisen (Fe), Cr, Ni und Mo, andere Elemente in rostfreiem Stahl folgende ein: Kohlenstoff (-0,03%), Mangan (1 ~ 2%), Silicium (0,5 - 2%), Stickstoff (0,01 - 0,1%), Kupfer (0,5 - 2%) und Cobalt (<0,5%).Earlier fuel cell systems often used graphite for the bipolar plate (BPP) of the PEMFC because graphite can achieve high chemical stability and conductivity within the PEMFC environment. However, graphite is both brittle and expensive. Stainless steel is now widely recognized as one of the best candidates for BPPs because of its excellent mechanical stability, electrical and thermal conductivities, and its relatively easy manufacture. Stainless steel is, of course, the generic name for a number of different steel compositions. Stainless steels typically include at least 10% chromium (Cr), which can form a stable chromium oxide surface layer that is known to prevent “staining” of the metal surface. SS304 and SS316 are two of the most common compositions of stainless steel. SS304 contains 18% Cr and 8% nickel (N 1 ). SS316 contains 16% Cr, 10% Ni and 2% molybdenum (Mo). Stainless steel compositions can be varied depending upon the nature of the particular application. Such a variation leads to pronounced mechanical stability, corrosion resistance and magnetic properties. As is known, apart from iron (Fe), Cr, Ni and Mo, other elements in stainless steel include: carbon (-0.03%), manganese (1 ~ 2%), silicon (0.5 - 2%), nitrogen (0.01-0.1%), copper (0.5-2%) and cobalt (<0.5%).

Obwohl dies weniger als bei reinem Fe der Fall ist, ist rostfreier Stahl dennoch korrosionsanfällig. Eine Korrosion von rostfreiem Stahl findet statt, wenn das Metall gegenüber Wasser/Luft und verschiedenen Verunreinigungen auf den Oberflächen des Metalls ausgesetzt wird und damit reagiert. Wenn Fe gegenüber Wasser und Sauerstoff ausgesetzt wird, führt dies zur Bildung von Rost, wobei dies typischerweise durch die Bildung von rotgefärbtem Oxid gekennzeichnet ist. Rost umfasst die oxidierten Formen von Fe - d.h., hydratisierte Eisen (III)-oxide (insbesondere Fe2O3 ·xH2O) und Eisen (III) oxid-hydroxide (insbesondere FeO(OH) und Fe(OH)3). In sauren Umgebungen kann sich die Bildung von solchen Eisenoxidkomplexen beschleunigen, und einige von diesen Oxiden können sich weiter in der Lösung auflösen.Although this is less the case than pure Fe, stainless steel is still susceptible to corrosion. Corrosion of stainless steel occurs when the metal is exposed to and reacts to water / air and various contaminants on the surfaces of the metal. Exposure to Fe to water and oxygen leads to the formation of rust, which is typically characterized by the formation of red colored oxide. Rust includes the oxidized forms of Fe - ie, hydrated iron (III) oxides (especially Fe 2 O 3 · xH 2 O) and iron (III) oxide hydroxides (especially FeO (OH) and Fe (OH) 3 ). In acidic environments the formation of such iron oxide complexes can accelerate and some of these oxides can further dissolve in the solution.

Wenn die Oxidfilme auf Eisenbasis auf BPPs aus rostfreiem Stahl gebildet werden, werden der Kontaktwiderstand und die elektrische Leitfähigkeit der PEMFC erheblich beeinflusst. Die meisten Oxide sind zum Beispiel Isolatoren und wirken sich daher negativ auf die elektrische Leitfähigkeit des Massenmaterials aus. Dies ist besonders problematisch im Fall von BPPs, die konstruiert sind, damit sie eine in hohem Maße elektronenleitende Beschaffenheit besitzen. Die Bildung von isolierenden Oxidfilmschichten auf BPPs verringert den Transfer von Elektronen, wobei dies zu einer herabgesetzten PEMFC-Leistungsabgabe führen kann. Des Weiteren können Korrosionsfilme mit der Zeit wachsen, wobei dies zu einem größeren Kontaktwiderstand führt. Bezeichnenderweise, wenn die Produkte einer solchen Korrosion ionisiert werden können (z. B. Fe2+ oder Fe3+), kann eine saure Lösung, die solche Ionen enthält, zu anderen Brennstoffzellenkomponenten transportiert werden. Innerhalb von PEMFC-Stapeln kann eine Fe-Auflösung zum Beispiel den Pt-Katalysator vergiften, wobei dies zu verringerten Reaktionsraten von H2- und O2-Adsorptionen, H2O-Bildung und zu schlechten Wirkungsgraden von Brennstoffzellen führt.When the iron-based oxide films are formed on stainless steel BPPs, the contact resistance and electrical conductivity of the PEMFC are greatly affected. Most oxides, for example, are insulators and therefore have a negative effect on the electrical conductivity of the bulk material. This is particularly problematic in the case of BPPs that are designed to be highly electronically conductive. The formation of insulating oxide film layers on BPPs reduces the transfer of electrons, which can result in decreased PEMFC power output. Furthermore, corrosion films can grow over time, which leads to greater contact resistance. Significantly, if the products of such corrosion can be ionized (e.g., Fe 2+ or Fe 3+ ), an acidic solution containing such ions can be transported to other fuel cell components. Within PEMFC stacks, Fe dissolution can poison the Pt catalyst, for example, which leads to reduced reaction rates of H 2 and O 2 adsorptions, H 2 O formation and poor fuel cell efficiency.

Unter zahlreichen Bestrebungen zur Verhinderung oder Verlangsamung der Korrosion von Metallen sind verschiedene Arten von Beschichtungen entwickelt worden. Beispiele schließen aufgebrachte Überzüge, wie Farbe, Beschichtung bzw. Galvanisierung, Emaille, reaktive Überzüge, inklusive Korrosionshemmer, wie Chromate, Phosphate, leitende Polymere, tensidähnliche Chemikalien, die dafür ausgelegt sind, elektrochemische Reaktionen zwischen der Umgebung und dem Metallsubstrat zu unterdrücken, anodisierte Oberflächen und Biofilmüberzüge, ein. Im Fall von BPPs, die in PEMFC-Stapeln verwendet werden, kann eine Korrosionsbeständigkeit durch die Verwendung von Behandlungstechniken, wie die Einführung von leitenden Oxid- und/oder Nitrid-Überzügen auf den rostfreien Stahl verliehen werden. Trotz solcher Techniken ist die korrosive Entstehung von Fe2O3 unvermeidbar, wenn Fe-Metall gegenüber Wasser und Sauerstoff ausgesetzt wird, wie es unter den sauren Betriebsbedingungen der PEMFC-Umgebung der Fall ist.Various types of coatings have been developed with numerous efforts to prevent or slow the corrosion of metals. Examples include applied coatings, such as paint, coating or electroplating, enamel, reactive coatings, including corrosion inhibitors, such as chromates, phosphates, conductive polymers, surfactant-like chemicals, which are designed to suppress electrochemical reactions between the environment and the metal substrate, anodized surfaces and biofilm coatings. In the case of BPPs used in PEMFC stacks, corrosion resistance can be imparted through the use of treatment techniques such as the introduction of conductive oxide and / or nitride coatings on the stainless steel. Despite such techniques, the corrosive formation of Fe 2 O 3 is inevitable when Fe metal is exposed to water and oxygen, as is the case under the acidic operating conditions of the PEMFC environment.

Wie in der vorliegenden Offenbarung beschrieben, sind einige an der Oberfläche gebildete Fe2O3-Arten in rostfreiem Stahl - und in anderen hauptsächlich aus Fe bestehenden Metallzusammensetzungen - gegenüber einer Metallauflösung beständiger. Es können Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen nach den Grundprinzipien zur Bestimmung der relevanten Energetik von Fe2O3-OxidOberflächen verwendet werden. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung kann die Bildung von korrosionsbeständigen Fe2O3-Oberflächen sorgfältig gesteuert und auf BPPs aus rostfreiem Stahl übertragen werden, indem man den engen Bereich von Fe2O3-Oberflächenenergien, die gegenüber Synthesebedingungen und der lokalen Umgebung empfindlich sind, genau einstellt.As described in the present disclosure, some surface Fe 2 O 3 species in stainless steel - and in other metal compositions primarily composed of Fe - are more resistant to metal dissolution. Density functional theory (DFT) calculations based on the basic principles can be used to determine the relevant energetics of Fe 2 O 3 oxide surfaces. In accordance with the present disclosure, the formation of corrosion-resistant Fe 2 O 3 surfaces can be carefully controlled and transferred to stainless steel BPPs by using the narrow Precisely adjusts the range of Fe 2 O 3 surface energies that are sensitive to synthesis conditions and the local environment.

Ein nicht-einschränkendes Beispiel einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle ist in der 1 dargestellt. Eine Kernkomponente der PEMFC 10 ist eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 12, welche die elektrochemische Reaktion innerhalb des Stapels unterstützt. Die MEA 12 schließt Teilkomponenten, wie Elektroden, Katalysatoren und Protonenaustauschmembranen ein. Zusätzlich zur MEA 12 schließt die PEMFC 10 typischerweise weitere Komponenten, wie Stromkollektoren 14, Gasdiffusionsschicht(en) 16, Manschetten 18 und wenigstens eine bipolare Platte (BPP) 20 ein.A non-limiting example of a proton exchange membrane fuel cell is shown in FIG 1 shown. A core component of the PEMFC 10 is a membrane electrode assembly (MEA) 12, which supports the electrochemical reaction within the stack. The MEA 12 includes sub-components such as electrodes, catalysts and proton exchange membranes. In addition to the MEA 12, the PEMFC 10 typically includes other components such as current collectors 14, gas diffusion layer (s) 16, cuffs 18, and at least one bipolar plate (BPP) 20.

Die BPP 20 wird in einem PEMFC-Stapel zur Verteilung von Gas, zum Gewinnen von Strom und zum Abtrennen einzelner Zellen in dem Stapel voneinander implementiert. Die BPP 20 stellt auch zusätzliche Funktionen bereit, wie die Entfernung von Reaktionsprodukten und Wasser, sowie das Wärmemanagement innerhalb der PEMFC 10. Die BPP 20 ist somit ein wesentlicher Bestandteil der PEMFC 10. Die BPP 20 ist auch sowohl eine relativ teure Komponente als auch ein häufiger Grund für eine Verschlechterung des PEMFC-Systems. Zum Beispiel können BPPs etwa 60 bis 80% des Stapelgewichts der PEMFC 10, etwa 50% des Stapelvolumens und etwa 25-45% der Stapelkosten ausmachen. Die BPP 20 stellt noch eine andere Herausforderung an das Material dar, da die BPP 20 auch ausreichend elektrisch leitend sein muss, um einen Elektronentransfer für die Sauerstoffreduktionsreaktion zu ermöglichen. Demzufolge sollte das Material der BPP 20 sowohl elektrisch leitend als auch chemisch inert gegenüber Reaktionen mit Ionen sein, die in der PEMFC 10-Umgebung vorhanden sind.The BPP 20 is implemented in a PEMFC stack for gas distribution, power generation, and separation of individual cells in the stack. The BPP 20 also provides additional functions such as removal of reaction products and water, as well as thermal management within the PEMFC 10. The BPP 20 is thus an essential part of the PEMFC 10. The BPP 20 is also both a relatively expensive component and a common reason for PEMFC system deterioration. For example, BPPs can make up about 60 to 80% of the stack weight of the PEMFC 10, about 50% of the stack volume, and about 25-45% of the stack cost. The BPP 20 poses another challenge to the material, since the BPP 20 must also be electrically conductive enough to enable electron transfer for the oxygen reduction reaction. Accordingly, the material of the BPP 20 should be both electrically conductive and chemically inert to reactions with ions present in the PEMFC 10 environment.

Die Metalloberfläche der BPP 20, die rostfreien Stahl umfassen kann, kann einen Überzug, wie einen graphitartigen Überzug oder einen schützenden Oxid- und/oder Nitrid-Überzug zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der BPP 20 einschließen. Die BPP 20-Oberfläche kann somit Elemente, wie Fe, Cr, Ni, Mo, Mn, Si, P, C, S oder eine Kombination davon, einschließen. Alternative Überzüge schließen eine Ti-Legierung, dotiertes TiOx, TiN, CrN oder ZrN ein. Wiederum sind, selbst wenn solche Überzüge eingesetzt werden, in einer aggressiv-korrosiven Umgebung, wie diejenige der PEMFC 10, Materialien, Strukturen und Techniken zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von BPP-Materialien (z. B. rostfreier Stahl) erwünscht. Gemäß hierin dargelegten Ausführungsformen werden Materialien, Strukturen und Techniken zum Erhöhen der Korrosionsbeständigkeit von BPPs aus rostfreiem Stahl offenbart.The metal surface of the BPP 20, which may include stainless steel, may include a coating such as a graphite-like coating or a protective oxide and / or nitride coating to increase the corrosion resistance of the BPP 20. The BPP 20 surface can thus include elements such as Fe, Cr, Ni, Mo, Mn, Si, P, C, S or a combination thereof. Alternative coatings include a Ti alloy, doped TiO x , TiN, CrN, or ZrN. Again, even when such coatings are employed, in a harshly corrosive environment such as that of PEMFC 10, materials, structures, and techniques for increasing the corrosion resistance of BPP materials (e.g., stainless steel) are desirable. In accordance with embodiments set forth herein, materials, structures, and techniques for increasing the corrosion resistance of stainless steel BPPs are disclosed.

Ein nicht-einschränkendes Beispiel einer bipolaren Platte (BPP) 20 der PEMFC ist in der 2 dargestellt. Die BPP 20 repräsentiert ein nicht-einschränkendes Beispiel eines Substrats mit einem festen Körper oder Massenbereich 22 und einen Oberflächenbereich 24. Der Massenbereich 22 kann aus einem Metall, wie rostfreier Stahl, gebildet sein. Alternativ kann der Massenbereich 22 aus Graphit, Stahl, Aluminium, Kupfer, einer Legierung von zwei oder mehr Metallen, einer Kombination davon oder einem Verbundmaterial gebildet sein. Der Oberflächenbereich 24 kann eine korrosionsbeständige Eisenoxidfilmstruktur gemäß einer oder mehrerer der Ausführungsformen einschließen. Die gesamte Fläche des Oberflächenbereichs 24 kann die Eisenoxidfilmstruktur einschließen. Alternativ kann der Oberflächenbereich 24 einen oder mehrere Teilbereich(e) einschließen, der bzw. die frei von der Eisenoxidfilmstruktur ist bzw sind. In einer Ausführungsform schließt der gesamte Oberflächenbereich 24 die Eisenoxidfilmstruktur ein. Der Oberflächenbereich 24 kann ferner schützende Überzüge einschließen, wie binäre Oxidüberzüge, die im Nanobereich bis Mikronbereich (einige nm bis 100 µm) auf die Oberseite der korrosionsbeständigen Eisenoxidfilmstruktur aufgebracht werden. Solche Überzugsmaterialien aus binärem Oxid schließen MgO, Al2O3, TiO2 und ZrO2 ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Diese Oxidüberzugsmaterialien können undotiert und/oder teilweise mit Stickstoff, Kohlenstoff oder Fluor dotiert sein, um die resultierende elektrische Leitungsfähigkeit weiter zu steigern. Noch darüber hinaus kann der Oberflächenbereich 24 schützende Überzüge einschließen, die aus ternären (oder höheren) chemischen Verbindungen, wie zum Beispiel ABOx, gebildet sind, wobei A Mg, Al, Ti oder Zr ist, B Zn, Sn, Cr oder Mo ist und x eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis 8 ist. In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen kann der schützende Überzug leitende Nitride und/oder Karbide einschließen.A non-limiting example of a bipolar plate (BPP) 20 of the PEMFC is shown in FIG 2 shown. The BPP 20 represents a non-limiting example of a substrate having a solid or mass region 22 and a surface region 24. The mass region 22 can be formed from a metal such as stainless steel. Alternatively, the mass region 22 can be formed from graphite, steel, aluminum, copper, an alloy of two or more metals, a combination thereof, or a composite material. The surface area 24 may include a corrosion resistant iron oxide film structure according to one or more of the embodiments. The entire area of the surface area 24 may include the iron oxide film structure. Alternatively, the surface area 24 may include one or more sub-areas that are free of the iron oxide film structure. In one embodiment, the entire surface area 24 includes the iron oxide film structure. The surface area 24 may further include protective coatings, such as binary oxide coatings, applied in the nanoscale to micron range (a few nm to 100 µm) on top of the corrosion resistant iron oxide film structure. Such binary oxide coating materials include, but are not limited to, MgO, Al 2 O 3 , TiO 2, and ZrO 2 . These oxide coating materials can be undoped and / or partially doped with nitrogen, carbon or fluorine in order to further increase the resulting electrical conductivity. Still further, surface area 24 may include protective coatings formed from ternary (or higher) chemical compounds such as ABO x , where A is Mg, Al, Ti or Zr, B is Zn, Sn, Cr or Mo and x is an integer ranging from 1 to 8. In accordance with some embodiments, the protective coating can include conductive nitrides and / or carbides.

Die Dicke des Oberflächenbereichs 24 und seiner damit verbundenen korrosionsbeständigen Eisenoxidfilmschicht kann entsprechend der spezifischen Anwendung angepasst werden und kann von einigen nm bis zu etwa 1 µm reichen. Die Eisenoxidfilmschicht selbst kann auch in der Dicke von etwa 1 nm bis zu etwa 1 µm reichen. Nicht-einschränkende Beispiele von solchen Dicken können etwa 0,1 bis 0,8 µm, 0,2 bis 0,6 µm oder 0,3 bis 0,5 µm sein. In einer oder mehreren Ausführungsform(en) kann die Dicke des korrosionsbeständigen Eisenoxidfilms zwischen 1 nm und 0,5 µm liegen. In anderen Ausführungsformen kann die Dicke des korrosionsbeständigen Eisenoxidfilms zwischen 150 nm und 0,3 µm liegen.The thickness of the surface area 24 and its associated corrosion-resistant iron oxide film layer can be adapted according to the specific application and can range from a few nm to about 1 μm. The iron oxide film layer itself can also range in thickness from about 1 nm to about 1 µm. Non-limiting examples of such thicknesses can be about 0.1 to 0.8 µm, 0.2 to 0.6 µm, or 0.3 to 0.5 µm. In one or more embodiment (s), the thickness of the corrosion-resistant iron oxide film can be between 1 nm and 0.5 μm. In other embodiments, the thickness of the corrosion-resistant iron oxide film can be between 150 nm and 0.3 µm.

Oberflächen aus α-Fe2O3-Eisenoxid können durch ihre atomaren morphologischen Strukturen charakterisiert werden. Solche Oberflächenfacettenstrukturen können durch die folgenden Miller-Indices definiert werden: (001), (110), (100), (101) und (012). Jede von diesen morphologischen α-Fe2O3-Oberflächen ist in den 3A bis 3E dargestellt. Die 3A veranschaulicht die atomare Struktur von (001) Fe2O3. Die 3B veranschaulicht die atomare Struktur von (110)-Fe2O3. Die 3C veranschaulicht die atomare Struktur von (100)-Fe2O3. Die 3D veranschaulicht die atomare Struktur von (101)-Fe2O3. Schließlich veranschaulicht die 3E die atomare Struktur von (012)-Fe2O3. Die Masseregion von Fe2O3 ist aus FeO6-Oktaedern aufgebaut, während die Oberflächenregion unterkoordiniert ist. Wie in den 3B und 3C gezeigt, sind zum Beispiel (110)- und (012)-Eisenoxidoberflächen beide mit FeO5-Polyedern terminiert. Wie in der 3D gezeigt, hat (101)-Eisenoxid sowohl FeO4- als auch FeOs-Oberflächeneinheiten. (100)- und (001)-Eisenoxide sind sogar noch stärker an ihrer Oberfläche unterkoordiniert als (101)-Eisenoxid. Die 3C zeigt, dass (100)-Eisenoxid mit FeO4 terminiert ist, und die 3A zeigt, dass (001)-Eisenoxid mit FeO3 terminiert ist.Surfaces made of α-Fe 2 O 3 iron oxide can be characterized by their atomic morphological structures. Such surface facet structures can be defined by the following Miller indices: (001), (110), (100), (101) and (012). Each of these α-Fe 2 O 3 morphological surfaces is in the 3A to 3E shown. The 3A illustrates the atomic structure of (001) Fe 2 O 3 . The 3B Fig. 11 illustrates the atomic structure of (110) -Fe 2 O 3 . The 3C illustrates the atomic structure of (100) -Fe 2 O 3 . The 3D illustrates the atomic structure of (101) -Fe 2 O 3 . Finally illustrates the 3E the atomic structure of (012) -Fe 2 O 3 . The mass region of Fe 2 O 3 is made up of FeO 6 octahedra, while the surface region is undercoordinated. As in the 3B and 3C For example, (110) and (012) iron oxide surfaces are both terminated with FeO 5 polyhedra. Like in the 3D showed that (101) iron oxide has both FeO 4 and FeOs surface units. (100) and (001) iron oxides are even more undercoordinated on their surface than (101) iron oxide. The 3C shows that (100) iron oxide is terminated with FeO 4 , and the 3A shows that (001) iron oxide is terminated with FeO 3 .

Die Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Oberflächenenergie der Eisenoxid-Fe2O3-Oberflächen, die in den 3A bis 3E gezeigt sind, kann durch Anwenden des generalisierten Gradienten-Näherungs (GGA)-Schemas berechnet werden. Die ‚Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)‘-Software kann zur Durchführung solcher Oberflächenenergieberechnungen verwendet werden. Die Oberflächenenergie, y, ist die Energiemenge, die erforderlich ist, um eine Massenprobe zu spalten, wodurch zwei Vakuum-exponierte Oberflächen geschaffen werden. Eine niedrigere Oberflächenenergie repräsentiert einen energetisch günstigeren Zustand und eine höhere Oberflächenenergie repräsentiert einen energetisch weniger günstigen Zustand. Die DFT-Oberflächenenergie Fe2O3 (γ) kann auf der Grundlage der folgenden Gleichung (1) berechnet werden: γ= ( E 0, P l a t t e = n E 0, M a s s e ) / ( 2 A )

Figure DE102020209052A1_0001
wobei E0,Platte die gesamte interne DFT-Energie der spezifischen Fe2O3-Platte ist, wie in den 3A bis 3E gezeigt, E0,Masse ist die interne DFT-Energie des Massen-Fe2O3 je Formeleinheit, n ist die Zahl der Formeleinheiten in der Plattenkonstruktion und A ist der Oberflächenbereich einer spezifischen Facette der Plattenkonstruktion. Die Wirkung der Wasser-Oxid-Grenzfläche soll ungefähr die gleiche für alle Eisenoxidoberflächen, die in den 3A bis 3E gezeigt sind, sein. Beispiele von berechneten DFT-Oberflächenenergien der verschiedenen in den 3A bis 3E dargestellten Fe2O3-Oberflächen sind in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 Berechnete DFT-Oberflächenenergien von verschiedenen Fe2O3-Oberflächen α-Fe2O3-Oberflächenfacetten (001) (110) (100) (101) (012) Oberflächenenergie, γ (J/m2) 0,82 0,92 1,21 1,06 0,63 The density functional theory (DFT) surface energy of the iron oxide-Fe 2 O 3 surfaces that are present in the 3A to 3E can be calculated by applying the generalized gradient approximation (GGA) scheme. The 'Vienna Ab initio Simulation Package (VASP)' software can be used to perform such surface energy calculations. Surface energy, y, is the amount of energy required to cleave a bulk sample, creating two vacuum-exposed surfaces. A lower surface energy represents an energetically more favorable state and a higher surface energy represents an energetically less favorable state. The DFT surface energy Fe 2 O 3 (γ) can be calculated based on the following equation (1): γ = ( E. 0, P l a t t e = n E. 0, M. a s s e ) / ( 2 A. )
Figure DE102020209052A1_0001
where E 0, plate is the total internal DFT energy of the specific Fe 2 O 3 plate, as in FIGS 3A to 3E shown, E 0, mass is the internal DFT energy of the mass Fe 2 O 3 per formula unit, n is the number of formula units in the plate construction and A is the surface area of a specific facet of the plate construction. The effect of the water-oxide interface is said to be roughly the same for all iron oxide surfaces in the 3A to 3E are shown. Examples of calculated DFT surface energies of the various in the 3A to 3E Fe 2 O 3 surfaces shown are shown in Table 1 below. Table 1 Calculated DFT surface energies of various Fe 2 O 3 surfaces α-Fe 2 O 3 surface facets (001) (110) (100) (101) (012) Surface energy, γ (J / m 2 ) 0.82 0.92 1.21 1.06 0.63

Wie in der Tabelle 1 gezeigt, ist (012)-Fe2O3 die energetisch günstigste Oberflächenfacettenstruktur, gefolgt von (001)- und (110)-Fe2O3. (101)- und (100)-Fe2O3 zeigen die höchsten DFT-Oberflächenenergien und sind daher weniger vorteilhaft als die anderen Eisenoxid-Oberflächenstrukturen.As shown in Table 1, (012) -Fe 2 O 3 is the energetically most favorable surface facet structure, followed by (001) - and (110) -Fe 2 O 3 . (101) - and (100) -Fe 2 O 3 show the highest DFT surface energies and are therefore less advantageous than the other iron oxide surface structures.

In Metallen auf Fe-Basis, wie rostfreier Stahl, bildet sich Rost entsprechend den folgenden Reaktionen. Im Besonderen bildet Fe2O3 bei einer Exposition gegenüber Wasser und Luft Fe2O3 ·xH2O, wie nachstehend dargelegt: Fe(s) → Fe2+ (aq.) + 2e- (A, Oxidations-Halbreaktion) O2(g) + 2H2O(1) + 4e- → 4OH- (aq.) (B, Reduktions-Halbreaktion) 2Fe(s) + O2(g) + 2H2O(1) → 2Fe2+ (aq.) + 4OH- (aq.) (2A + B) Fe2+ (aq.) + 2OH- (aq.) → Fe(OH)2(s) (Zwischenzustand) 4Fe(OH)2(s) + O2(g) + xH2O(I) → 2Fe2O3 · (x+4)H2O(s) (weitere Reaktion mit H2O und O2) In Fe-based metals such as stainless steel, rust is generated according to the following reactions. Specifically, when exposed to water and air, Fe 2 O 3 forms Fe 2 O 3 xH 2 O, as set out below: Fe (s) → Fe 2+ (aq.) + 2e - (A, oxidation half-reaction) O 2 (g) + 2H 2 O (1) + 4e - → 4OH - (aq.) (B, reduction half-reaction) 2Fe (s) + O 2 (g) + 2H 2 O (1) → 2Fe 2+ (aq.) + 4OH - (aq.) (2A + B) Fe 2+ (aq.) + 2OH - (aq.) → Fe (OH) 2 (s) (intermediate state) 4Fe (OH) 2 (s) + O 2 (g) + xH 2 O (I) → 2Fe 2 O 3 (x + 4) H 2 O (s) (further reaction with H2O and O2)

Angesichts der obigen Reaktionsabläufe bei der Bildung von Rost in Metallen auf Fe-Basis, wie rostfreier Stahl, kann die atomare Struktur von Eisenoxid-Fe2O3-Oberflächen durch -OH-Terminierung charakterisiert werden. Nicht-einschränkende Beispiele der atomaren Strukturen von Eisenoxidoberflächen, die eine -OH-Terminierung einschließen, werden in den 4A bis 4E dargestellt. Die 4A stellt die atomare Struktur von (001)-Fe2O3, die eine -OH-Terminierung einschließt, dar. Die 4B stellt die atomare Struktur von (110)-Fe2O3, die eine -OH-Terminierung einschließt, dar. Die 4C stellt die atomare Struktur von (100)-Fe2O3, die eine -OH-Terminierung einschließt, dar. Die 4D stellt die atomare Struktur von (101)-Fe2O3, die eine -OH-Terminierung einschließt, dar. Schließlich stellt die 4E die atomare Struktur von (012)-Fe2O3, die eine -OH-Terminierung einschließt, dar.In view of the above reaction processes in the formation of rust in Fe-based metals such as stainless steel, the atomic structure of iron oxide-Fe 2 O 3 surfaces can be characterized by -OH termination. Non-limiting examples of the atomic structures of iron oxide surfaces that include an -OH termination are given in US Pat 4A to 4E shown. The 4A Figure 3 illustrates the atomic structure of (001) -Fe 2 O 3 including an -OH termination 4B Figure 3 illustrates the atomic structure of (110) -Fe 2 O 3 including an -OH termination 4C Figure 3 illustrates the atomic structure of (100) -Fe 2 O 3 including an -OH termination 4D Figure 3 illustrates the atomic structure of (101) -Fe 2 O 3 including an -OH termination 4E represents the atomic structure of (012) -Fe 2 O 3 , which includes an -OH termination.

Eine Graphik, welche die Oberflächenenergie von Eisenoxidoberflächen als eine Funktion der zunehmenden -OH-Terminierung darstellt, ist in der 5 gezeigt. Die Graphik zeigt Veränderungen bei den Partikelmorphologien und betroffenen Oberflächenenergien, wenn eine -OH-Terminierung in die in den 3A bis 3E dargelegten Fe2O3-0berflächenfacetten eingeführt und darin erhöht wird. Die Berechnungen, die das Schaubild von 5 stützen, wurden, wie in Verbindung mit der Tabelle 1 oben stehend beschrieben, durchgeführt. Demzufolge sind die Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Oberflächenenergien der Eisenoxid-Fe2O3-Oberflächen durch Anwenden des generalisierten Gradienten-Näherungs (GGA)-Schemas berechnet worden. Die Partikelform kann aus den errechneten Oberflächenenergien mit Hilfe der bekannten Wulff-Konstruktion abgeleitet werden. Im Einklang mit experimentellen Resultaten demonstriert die 5, dass sowohl kubische als auch hexagonale Formen von Fe2O3 zu beobachten sind. Die 5 zeigt ferner, dass unter trockenen Bedingungen Fe2O3 eine kubische (oder pseudo-kubische) Form innehat und von (110)- und (012)-Fe2O3-0berflächenfacetten dominiert wird. Erhöhte -OH-Terminierungen können aufgrund von feuchten Bedingungen resultieren - wobei H2O vorhanden ist - und/oder sauren Bedingungen - wobei verfügbare Protonen (H+) mit Oberflächensauerstoffatomen in Fe2O3 reagiert haben. Fe2O3-Partikel von unterschiedlicher Größe und Morphologie können durch Steuern der Nukleations- bzw. Keimbildungszeit erhalten werden. Wie in der 5 gezeigt, ist die Partikelform von -OHterminierten Fe2O3-Systemen hexagonal, wobei die (001)-Oberflächenfacette dominiert. Dies erklärt weiter, warum die am meisten experimentell untersuchte Fe2O3-Oberfläche (001)-Fe2O3 ist.A graph showing the surface energy of iron oxide surfaces as a function of increasing -OH termination is in FIG 5 shown. The graph shows changes in particle morphologies and affected surface energies when an -OH termination occurs in the 3A to 3E Fe 2 O 3 surface facets disclosed is introduced and increased therein. The calculations that make up the graph of 5 were performed as described in connection with Table 1 above. Accordingly, the density functional theory (DFT) surface energies of the iron oxide-Fe 2 O 3 surfaces have been calculated by applying the generalized gradient approximation (GGA) scheme. The particle shape can be derived from the calculated surface energies with the help of the well-known Wulff construction. In line with experimental results, the demonstrated 5 that both cubic and hexagonal forms of Fe 2 O 3 can be observed. The 5 also shows that under dry conditions Fe 2 O 3 has a cubic (or pseudo-cubic) shape and is dominated by (110) and (012) -Fe 2 O 3 surface facets. Increased -OH terminations can result from humid conditions - where H 2 O is present - and / or acidic conditions - where available protons (H + ) have reacted with surface oxygen atoms in Fe 2 O 3 . Fe 2 O 3 particles of different sizes and morphology can be obtained by controlling the nucleation or nucleation time. Like in the 5 shown, the particle shape of -OH-terminated Fe 2 O 3 systems is hexagonal, with the (001) surface facet dominating. This further explains why the most experimentally studied Fe 2 O 3 surface is (001) -Fe 2 O 3 .

Wie anhand der 3-5 und der damit verbundenen Offenbarung demonstriert, können DFT-Berechnungen nach den Grundprinzipien innerhalb einer generalisierten Gradienten-Näherung (GGA) die in dem Experiment beobachtete Fe2O3-Morphologie genau reproduzieren. Fortgeschrittenere Berechnungsmethoden können jedoch den Fehler einer Überdelokalisierung von Elektronen berücksichtigen, die in dem einfachen GGA-Ansatz vorhanden sind.How with the 3-5 and the related disclosure demonstrated, DFT calculations according to the basic principles can exactly reproduce the Fe 2 O 3 morphology observed in the experiment within a generalized gradient approximation (GGA). However, more advanced calculation methods can take into account the error of overdelocalization of electrons that are present in the simple GGA approach.

Graphiken, in welchen der Gitterparameter c und der berechnete Bandabstand einer Fe2O3-Massenstruktur auftragen ist, wobei unterschiedliche U-Werte auf Fe in den DFT-Berechnungen angewandt werden, sind in den 6A und 6B gezeigt. Zum Beispiel können, wie in den Figuren gezeigt, wenn UFe = 8 eV angewandt wird, sowohl der Gitterparameter c (6A, -13,7 Å) als auch der experimentelle Bandabstand (6B, ~2,0 eV) erfasst werden. In dem Maße, wie der Wert für UFe in den DFT-Berechnungen zunimmt, nähern sich sowohl der Gitterparameter als auch der Bandabstand den experimentellen Werten an. Typischerweise wird für die DFT-Berechnung herkömmlicherweise UFe = 4 eV verwendet, wobei dies an die experimentelle Bildungsenergie von Eisenoxiden angepasst ist. Wie anhand der 6A und 6B jedoch demonstriert wird, kann das Einbeziehen von UFe = 8 eV das tatsächliche Fe2O3-System genauer wiederspiegeln, wenn man die enge Übereinstimmung zwischen dem experimentellen und errechneten Gitterparameter und Bandabstand betrachtet, wenn UFe = 8 eV beträgt.Graphs in which the lattice parameter c and the calculated band gap of an Fe 2 O 3 mass structure are plotted, with different U-values applied to Fe in the DFT calculations, are in FIG 6A and 6B shown. For example, as shown in the figures, when U Fe = 8 eV is applied, both the lattice parameter c ( 6A , -13.7 Å) and the experimental band gap ( 6B , ~ 2.0 eV) can be recorded. As the value for U Fe increases in the DFT calculations, both the lattice parameter and the band gap approach the experimental values. Typically, U Fe = 4 eV is conventionally used for the DFT calculation, this being adapted to the experimental formation energy of iron oxides. How with the 6A and 6B however, as demonstrated, the inclusion of U Fe = 8 eV can more accurately reflect the actual Fe 2 O 3 system, considering the close agreement between the experimental and calculated lattice parameter and band gap when U Fe = 8 eV.

Graphiken der Dichte von Zuständen (DOS) von Fe2O3 bei unterschiedlichen U-Werten sind in den 7A bis 7D gezeigt. Wie gezeigt, öffnet sich der Bandabstand in dem Maße, wie die U-Werte zunehmen. Der Bandabstand (Eg) ist als die Distanz zwischen dem Fermi-Niveau, EF (x = 0), und dem Leitungsband (wobei x eine positive Zahl in den Graphiken der 7 ist) definiert. Die 6B und 7A bis 7D zeigen zum Beispiel, dass reine GGA und U = 3 keinen Bandabstand aufweisen, während höhere U-Werte, wie UFe = 6 und 8, zeigen, dass die Distanz (nahe x = 0) zwischen den besetzten und unbesetzten Zuständen (d.h. der Bandabstand) zugenommen hat.Graphs of the density of states (DOS) of Fe 2 O 3 at different U-values are in the 7A to 7D shown. As shown, the bandgap opens as the U-values increase. The band gap (E g ) is expressed as the distance between the Fermi level, E F (x = 0), and the conduction band (where x is a positive number in the graphs of FIG 7th is defined. The 6B and 7A to 7D show, for example, that pure GGA and U = 3 have no band gap, while higher U values, such as U Fe = 6 and 8, show that the distance (near x = 0) between the occupied and unoccupied states (i.e. the band gap ) has increased.

In Anbetracht der oben besprochenen Parameter für die genaue Darstellung des Fe2O3-Systems - sowohl strukturell (Partikelformen) als auch elektronisch (Dichte von Zuständen) - kann die Energie, die zur Entfernung eines Fe-Atoms in jedem System von (101)-, (001)-, (110)-, (012)- und (100)-Fe2O3 durch Berechnung bestimmt werden. Die Tabelle 2 weiter unten legt die geringste Bildung von Fe-Vakanzen in der Oberfläche der verschiedenen Fe2O3-Oberflächen, die oben beschrieben werden, dar. Wie in der Tabelle 2 gezeigt, wäre es am schwierigsten, Fe aus den (110)-, (012)- und (100)-Fe2O3-Oberflächen zu entfernen, und vergleichsweise einfacher, Fe aus (101)- und (001)-Fe2O3-Oberflächen zu entfernen. Tabelle 2 Berechnete Bildung von Fe-Vakanzen in DFT-Oberflächen von verschiedenen Fe2O3-Oberflächen α-Fe2O3-Oberflächenfacette ΔEVak,Fe,Oberfläche Oberflächenterminierung (101) 1,457 FeO4 und FeO5 (001) 2,728 FeO3 (110) 3,057 FeO5 (012) 4,331 FeO5 (100) 5,987 FeO4 In view of the parameters discussed above for the exact representation of the Fe 2 O 3 system - both structurally (particle shapes) and electronically (density of states) - the energy required to remove an Fe atom in each system can be estimated from (101) -, (001) -, (110) -, (012) - and (100) -Fe 2 O 3 can be determined by calculation. Table 2 below sets out the lowest formation of Fe vacancies in the surface of the various Fe 2 O 3 surfaces described above. As shown in Table 2, it would be hardest to remove Fe from the (110), (012) and (100) Fe 2 O 3 surfaces, and comparatively easier to remove Fe from (101) and (001) -Fe 2 O 3 surfaces to remove. Table 2 Calculated formation of Fe vacancies in DFT surfaces of various Fe 2 O 3 surfaces α-Fe 2 O 3 surface facet ΔE Vak, Fe, surface Surface termination (101) 1.457 FeO 4 and FeO 5 (001) 2.728 FeO 3 (110) 3.057 FeO 5 (012) 4,331 FeO 5 (100) 5,987 FeO 4

Die mit der Bildung von Fe-Vakanzen in DFT-Oberflächen verbundene Energie wurde auf der Basis der folgenden Gleichung (2) bestimmt: Δ E Vak ,Fe ,Oberfläche = E 0, w / F e V a k a n z ( E 0, u r s p r ü n g l i c h + μ Fe )

Figure DE102020209052A1_0002
wobei E0,w/FeVakanz die interne DFT-Energie des Platten-Fe2O3 ist, wobei eines der Oberflächen-Fe-Atome entfernt wurde, E0,ursprünglich die interne DFT-Energie der ursprünglichen Platte ist und µFe das chemische Potential von Fe ist, bestimmt anhand von bcc- bzw. kubisch raumzentriertem Fe-Massenmetall. Höhere Energien der Bildung von DFT-Vakanzen zeigen eine erhöhte Schwierigkeit in Zusammenhang mit dem Entfernen eines Fe-Atoms aus dem System an.The energy associated with the formation of Fe vacancies in DFT surfaces was determined based on the following equation (2): Δ E. Vac , Fe ,Surface = E. 0, w / F. e V a k a n z - ( E. 0, u r s p r ü n G l i c H + μ Fe )
Figure DE102020209052A1_0002
where E 0, w / FeVakanz is the internal DFT energy of the plate Fe 2 O 3 , where one of the surface Fe atoms has been removed, E 0, originally the internal DFT energy of the original plate and µ Fe the chemical The potential of Fe is determined on the basis of bcc or body-centered cubic Fe bulk metal. Higher energies of DFT vacancy formation indicate an increased difficulty associated with removing an Fe atom from the system.

Gemäß den in der Tabelle 2 aufgezeichneten Daten kann, wenn der Fe2O3-Film mit (110)-, (012)- und (100)-Oberflächenfacetten wachsen gelassen werden kann, die Fe-Auflösung im Vergleich mit dem Fe2O3-Film, der durch (101)- und (001)-Oberflächenfacetten dominiert wird, schwieriger sein. Wie bereits in der 5 gezeigt, wird kubisch geformtes Fe2O3 größtenteils durch (110)- und (012)-Oberflächen dominiert, während das hexagonal geformte Fe2O3 in erster Linie (001)- und (110)-Oberflächen einschließt. Die Herstellung und Auswahl von Fe2O3-Oberflächen, die eine erhöhte Beständigkeit gegenüber der Fe-Auflösung beinhalten, kann zur richtigen Identifizierung und Anwendung von korrosionsbeständigen Oxidfilmen für die Verwendung innerhalb der bipolaren Platten (BPPs) von PEMFC-Stapeln genutzt werden. Und obgleich rostfreier Stahl zu Fe2O3 korrodiert, kann die Anwendung von hochbeständigen Fe2O3-Oberflächen weitere Fe-Ionen-Auflösungen in der sauren Betriebsumgebung von PEMFCs verhindern (oder wenigstens verlangsamen). BPPs aus rostfreiem Stahl mit schützenden Fe2O3-Oberflächenschichten, die auflösungsbeständige (110)-, (012)- und (100)-Facetten umfassen und in der Dicke von wenigen nm bis etwa 1 µm reichen, können Auflösungsreaktionen minimieren und/oder unterdrücken, die zur Bildung von Spezies - wie Radikale - führen, die Verschlechterungen der Polymermembran und der Katalyse in PEMFCs auslösen können. Eine Vergiftung eines Pt-Katalysators, die von einer Fe-Auflösung initiiert wird, kann zum Beispiel durch Verwenden von stabileren Fe2O3-Oberflächen innerhalb des BPP unterdrückt werden, wodurch die potentielle Lebensdauer von PEMFCs erhöht wird.According to the data recorded in Table 2, if the Fe 2 O 3 film having (110), (012) and (100) surface facets can be grown, the Fe dissolution can be compared with the Fe 2 O 3 film, which is dominated by (101) and (001) surface facets, will be more difficult. As in the 5 As shown, cubic-shaped Fe 2 O 3 is largely dominated by (110) and (012) surfaces, while the hexagonal-shaped Fe 2 O 3 includes primarily (001) and (110) surfaces. The preparation and selection of Fe 2 O 3 surfaces that include increased resistance to Fe dissolution can be used to properly identify and apply corrosion resistant oxide films for use within the bipolar plates (BPPs) of PEMFC stacks. And while stainless steel corrodes to Fe 2 O 3 , the use of highly resistant Fe 2 O 3 surfaces can prevent (or at least slow down) further Fe ion dissolution in the acidic operating environment of PEMFCs. Stainless steel BPPs with protective Fe 2 O 3 surface layers comprising dissolution-resistant (110), (012) and (100) facets and ranging in thickness from a few nm to about 1 μm can minimize and / or dissolve reactions that lead to the formation of species - such as radicals - that can cause degradation of the polymer membrane and catalysis in PEMFCs. Poisoning of a Pt catalyst initiated by Fe dissolution can be suppressed, for example, by using more stable Fe 2 O 3 surfaces within the BPP, thereby increasing the potential life of PEMFCs.

In einer oder mehreren der Ausführungsformen wird rostfreier Stahl mit einer korrosionsbeständigen Oberflächen-Oxidschicht, die (110)-, (012)- und/oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten umfasst, für eine PEMFC-BPP verwendet. In anderen Ausführungsformen wird rostfreier Stahl mit einer korrosionsbeständigen Oberflächen-Oxidschicht, die (001)-Fe2O3-Oberflächenfacetten umfasst, für eine PEMFC-BPP verwendet. Andere günstige Oberflächenfacetten können eine Familie von Gitterebenen von (110), (012), (100) und/oder (001), wie (006), (113), (024), (116), (122), (213), (300), etc., einschließen. Wie weiter oben beschrieben, kann die Dicke der korrosionsbeständigen Oxidschicht entsprechend den Anforderungen einer spezifischen Anwendung angepasst werden und kann von etwa 1 nm bis etwa 1 µm reichen. Nicht-einschränkende Beispiele von solchen Dicken können etwa 0,1 bis 0,8 µm, 0,2 bis 0,6 µm oder 0,3 bis 0,5 µm sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die Dicke zwischen 1 nm und 0,5 µm liegen. In anderen Ausführungsformen kann die Dicke des korrosionsbeständigen Eisenoxidfilms zwischen 150 nm und 0,3 µm liegen.In one or more of the embodiments, stainless steel with a corrosion-resistant surface oxide layer comprising (110), (012) and / or (100) -Fe 2 O 3 surface facets is used for a PEMFC-BPP. In other embodiments, stainless steel with a corrosion resistant surface oxide layer comprising (001) -Fe 2 O 3 surface facets is used for a PEMFC-BPP. Other favorable surface facets can be a family of lattice planes of (110), (012), (100) and / or (001), such as (006), (113), (024), (116), (122), (213 ), (300), etc. As described above, the thickness of the corrosion-resistant oxide layer can be adjusted according to the requirements of a specific application and can range from about 1 nm to about 1 μm. Non-limiting examples of such thicknesses can be about 0.1 to 0.8 µm, 0.2 to 0.6 µm, or 0.3 to 0.5 µm. In certain embodiments, the thickness can be between 1 nm and 0.5 µm. In other embodiments, the thickness of the corrosion-resistant iron oxide film can be between 150 nm and 0.3 µm.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird ein Substrat aus rostfreiem Stahl mit einer korrosionsbeständigen Oberflächen-Oxidschicht, definiert durch eine Oberflächenmorphologie, die eine erste Oberflächenfacettengruppe, die (110)-, (012)- und (100)-Fe2O3-Oberflächen einschließt, und eine zweite Oberflächenfacettengruppe, die (001)- und (101)-Fe2O3-Oberflächen einschließt, offenbart. In einigen Ausführungsformen kann die erste Oberflächenfacettengruppe ausschließlich (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-Oberflächen einschließen. In anderen Ausführungsformen kann die erste Oberflächenfacettengruppe zwei oder mehr von den (110)-, (012)- und (100)-Fe2O3-Oberflächenstrukturen einschließen. In ähnlicher Weise kann in einigen Ausführungsformen die zweite Oberflächenfacettengruppe ausschließlich (001)- oder (101)-Fe2O3-Oberflächen einschließen. In anderen Ausführungsformen kann die zweite Oberflächenfacettengruppe sowohl (001)- als auch (101)-Fe2O3-Oberflächenstrukturen einschließen. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Fe2O3-Oxidschicht vorwiegend Fe2O3-Oberflächenstrukturen der ersten Oberflächenfacettengruppe. In einigen Ausführungsformen kann das Substrat aus rostfreiem Stahl eine korrosionsbeständige Oberflächen-Oxidschicht einschließen, die durch eine Oberflächenmorphologie charakterisiert ist, die 70% bis 90% der ersten Oberflächenfacettengruppe und 10% bis 30% der zweiten Oberflächenfacettengruppe umfasst. So kann das Verhältnis der ersten Oberflächenfacettengruppe zu der zweiten Oberflächenfacettengruppe gemäß bestimmten Ausführungsformen im Bereich von 9:1 bis 7:3 liegen. Gemäß anderen Ausführungsformen kann das Substrat aus rostfreiem Stahl eine korrosionsbeständige Oberflächen-Oxidschicht einschließen, die durch eine Oberflächenmorphologie charakterisiert ist, die mehr als 90% der ersten Oberflächenfacettengruppe umfasst. In wenigstens einer weiteren Ausführungsform kann die korrosionsbeständige Oberflächen-Oxidschicht durch eine Oberflächenmorphologie charakterisiert sein, die mehr als 95% der ersten Oberflächenfacettengruppe umfasst. Andere Ausführungsformen können eine korrosionsbeständige Oberflächen-Oxidschicht einschließen, die durch eine Oberflächenmorphologie charakterisiert ist, die 100% der ersten Oberflächenfacettengruppe umfasst. Einige Ausführungsformen können eine amorphe FeOx-Oberflächenstruktur einschließen, wobei x von 1 bis 2 reicht. Weitere Metallverunreinigungen können ebenfalls eingeschlossen sein. Solche Metalle schließen Cr, Ni, Co, Mn und Si ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt.According to certain embodiments, a stainless steel substrate is provided with a corrosion resistant surface oxide layer defined by a surface morphology that includes a first surface facet group that includes (110), (012) and (100) Fe 2 O 3 surfaces, and a second Surface facet group including (001) and (101) -Fe 2 O 3 surfaces are disclosed. In some embodiments, the first surface facet group can exclusively include (110), (012), or (100) -Fe 2 O 3 surfaces. In other embodiments, the first surface facet group can include two or more of the (110), (012), and (100) -Fe 2 O 3 surface structures. Similarly, in some embodiments, the second surface facet group may exclusively include (001) or (101) Fe 2 O 3 surfaces. In other embodiments, the second surface facet group can include both (001) and (101) -Fe 2 O 3 surface structures. In certain embodiments, the Fe 2 O 3 oxide layer comprises predominantly Fe 2 O 3 surface structures of the first surface facet group. In some embodiments, the stainless steel substrate can include a corrosion resistant surface oxide layer characterized by a surface morphology comprising 70% to 90% of the first surface facet group and 10% to 30% of the second surface facet group. Thus, according to certain embodiments, the ratio of the first surface facet group to the second surface facet group can be in the range from 9: 1 to 7: 3. In other embodiments, the stainless steel substrate may include a corrosion resistant surface oxide layer characterized by a surface morphology that comprises greater than 90% of the first group of surface facets. In at least one further embodiment, the corrosion-resistant surface oxide layer can be characterized by a surface morphology which comprises more than 95% of the first surface facet group. Other embodiments may include a corrosion-resistant surface oxide layer characterized by a surface morphology that includes 100% of the first surface facet group. Some embodiments may include an amorphous FeO x surface structure, where x ranges from 1 to 2. Other metal contaminants can also be included. Such metals include, but are not limited to, Cr, Ni, Co, Mn and Si.

Das Vorliegen von unterschiedlichen Fe2O3-0berflächenfacetten kann mithilfe einer Pulver-Röntgenbeugung (XRD) oder einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop (HR-TEM) verifiziert werden. Zum Beispiel ist der (012)-Peak für Fe2O3 zwischen 24 bis 26° 2θ lokalisiert, (110) ist zwischen 35 bis 38° 2θ lokalisiert und (300) ist zwischen 62 bis 65° 2θ lokalisiert, wenn mittels XRD mit einer Cu-Kα-Quelle (λ = 1,54 Å) gemessen wird. Das relative Verhältnis von verschiedenen Ebenen kann ferner unter Verwendung der relativen XRD-Höhe und/oder der ganzen Breite bei halbem Maximum quantifiziert werden. Fe2O3 mit mehr (110)- und (012)-[Anteilen] kann mittels HR-TEM mit einem d-Abstand von -0,25 nm identifiziert werden, wobei solche Strukturen als eine kubische oder pseudokubische Form auftreten können. Natürlich kann, nachdem sich mehr (001)-Fe2O3 gebildet hat, Fe2O3 als eine hexagonale Form auftreten.The presence of different Fe 2 O 3 surface facets can be verified using powder X-ray diffraction (XRD) or a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM). For example, the (012) peak for Fe 2 O 3 is located between 24 to 26 ° 2θ, (110) is located between 35 to 38 ° 2θ and (300) is located between 62 to 65 ° 2θ when using XRD a Cu-Kα source (λ = 1.54 Å) is measured. The relative ratio of different planes can also be quantified using the relative XRD height and / or the full width at half maximum. Fe 2 O 3 with more (110) - and (012) - [fractions] can be identified by HR-TEM with a d-spacing of -0.25 nm, whereby such structures can appear as a cubic or pseudocubic shape. Of course, after more (001) -Fe 2 O 3 has formed, Fe 2 O 3 can appear as a hexagonal shape.

Nicht-einschränkende Beispiele von Pulver-Röntgenbeugungs (XRD)-Graphiken für zwei verschiedene Fe2O3-Proben sind in den 8A und 8B gezeigt. Die 8A und 8B zeigen zwei Beispiele von Fe2O3 mit unterschiedlichen XRD-Peak-Intensitäten. Wie weiter oben beschrieben, können korrosionsbeständige Oxidfilme hauptsächlich (110)-, (012)- und/oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten und die Gitterebenen ihrer Familien (z.B. (024), (300), etc.) einschließen. Die 8A und 8B zeigen, dass das relative Verhältnis von verschiedenen Ebenen in XRD-Mustern differieren kann, wobei dies entweder unter Verwendung der XRD-Höhe und/oder der ganzen Breite bei halbem Maximum quantifiziert werden kann. In diesem Fall werden die 2 Theta-Werte in der x-Achse durch Verwenden von Cu als Röntgenquelle angegeben, insbesondere die Kα-Strahlung einer Quelle von 1,54 Å.Non-limiting examples of powder X-ray diffraction (XRD) charts for two different Fe 2 O 3 samples are provided in US Pat 8A and 8B shown. The 8A and 8B show two examples of Fe 2 O 3 with different XRD peak intensities. As described above, corrosion-resistant oxide films can primarily include (110), (012) and / or (100) -Fe 2 O 3 surface facets and the lattice planes of their families (e.g. (024), (300), etc.) . The 8A and 8B show that the relative ratio of different planes in XRD patterns can differ, which can be quantified using either the XRD height and / or the full width at half maximum. In this case the 2 theta values in the x-axis are given by using Cu as the X-ray source, in particular the Kα radiation from a 1.54 Å source.

In einer oder mehreren der Ausführungsformen umfassen BPPs aus rostfreiem Stahl, welche die offenbarten korrosionsbeständigen Oxidoberflächenschichten nutzen, wenigstens 10 bis 20% Chrom (Cr) und 5 bis 10% Nickel (Ni). Andere Elemente in dem rostfreien Stahl können Molybdän (~1 bis 2%), Kohlenstoff (-0,03%), Mangan (1 ~ 2%), Silicium (0,5 - 2%), Stickstoff (0,01 - 0,1%), Kupfer (0,5 - 2%) und Kobalt (<0,5%) einschließen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, wobei der Rest Eisen (Fe) ist. Auf der BPP-Oberfläche kann des Weiteren ein stabiler Cr-Oxidfilm (zusätzlich zu den hierin beschriebenen speziellen Fe2O3-Oxidfilmen) vorhanden sein, um die Korrosion des BPP-Materials zu verlangsamen. In einigen Ausführungsformen können andere kristalline und/oder amorphe Metalloxide, die NiO, MoO2, MoO3, MnO, Mn2O3, MnO2, SiO2, CuO, Co3O4, etc. einschließen, ohne darauf beschränkt zu sein, auch zur Unterdrückung der Korrosion des BPP-Materials verwendet werden.In one or more of the embodiments, stainless steel BPPs utilizing the disclosed corrosion resistant oxide surface layers comprise at least 10 to 20% chromium (Cr) and 5 to 10% nickel (Ni). Other elements in the stainless steel can be molybdenum (~ 1 to 2%), carbon (-0.03%), manganese (1 ~ 2%), silicon (0.5-2%), nitrogen (0.01-0 , 1%), copper (0.5-2%) and cobalt (<0.5%) include, but are not limited to, the remainder being iron (Fe). A stable Cr oxide film (in addition to the special Fe 2 O 3 oxide films described herein) can also be present on the BPP surface in order to slow down the corrosion of the BPP material. In some embodiments, other crystalline and / or amorphous metal oxides, including but not limited to NiO, MoO 2 , MoO 3 , MnO, Mn 2 O 3 , MnO 2 , SiO 2 , CuO, Co 3 O 4 , etc., can be included , can also be used to suppress the corrosion of the BPP material.

Aufgrund ihrer Zusammensetzung, Struktur und Morphologie können BPPs, die aus den Fe2O3-Oberflächen und Überzügen, die gemäß bestimmten Ausführungsformen offenbart werden, aufgebaut sind, eine Reihe von erwünschten Eigenschaften einschließen. BPPs, die aus den hierin offenbarten Fe2O3-Oberflächen und Überzügen aufgebaut sind, können zum Beispiel Korrosionsbeständigkeiten von weniger als etwa 1 µA cm-2 bei 80°C, bei pH = 2 bis 3 in der Gegenwart von ungefähr 0,1 ppm HF in der Lösung zeigen. In anderen Ausführungsformen können die BPP-Oxidüberzüge einen Korrosionsstrom von wenigstens weniger als etwa 0,5 bis 10, 1 bis 8 oder 1,5 bis 5 µA cm-2 bei denselben Betriebsbedingungen erreichen. Die elektrischen Leitfähigkeiten der BPP-Oxidüberzüge können größer als 100 S cm-1 sein, wobei die Dicke der Überzugsschicht optimiert werden kann, um die Zielleitfähigkeit zu erreichen. In bestimmten Ausführungsformen betragen die elektrischen Leitfähigkeiten der BPP-Oxidüberzüge zwischen 100 und 150, 110 und 140 oder 120 und 130 S cm-1. In anderen Ausführungsformen betragen die elektrischen Leitfähigkeiten der BPP-Überzüge zwischen 0,1 und 100, 1 und 80 oder 10 und 50 S cm-1. Der Kontaktwiderstand der Grenzflächen zwischen dem Substrat aus rostfreiem Stahl und dem gegebenen BPP-Überzug kann weniger als etwa 0,01 Ohm cm2 betragen. In bestimmten Ausführungsformen beträgt der Kontaktwiderstand der Grenzflächen zwischen 0,001 und 0,2, 0,005 und 0,1 oder 0,01 und 0,05 Ohm cm2.Because of their composition, structure, and morphology, BPPs constructed from the Fe 2 O 3 surfaces and coatings disclosed in accordance with certain embodiments can include a number of desirable properties. BPPs constructed from the Fe 2 O 3 surfaces and coatings disclosed herein can, for example, have corrosion resistances of less than about 1 µA cm -2 at 80 ° C, at pH = 2 to 3 in the presence of about 0.1 Show ppm HF in the solution. In other embodiments, the BPP oxide coatings can have a corrosion current of at least less than about Reach 0.5 to 10, 1 to 8 or 1.5 to 5 µA cm -2 under the same operating conditions. The electrical conductivities of the BPP oxide coatings can be greater than 100 S cm -1 , and the thickness of the coating layer can be optimized in order to achieve the target conductivity. In certain embodiments, the electrical conductivities of the BPP oxide coatings are between 100 and 150, 110 and 140 or 120 and 130 S cm -1 . In other embodiments, the electrical conductivities of the BPP coatings are between 0.1 and 100, 1 and 80 or 10 and 50 S cm -1 . The contact resistance of the interfaces between the stainless steel substrate and the given BPP coating can be less than about 0.01 ohm cm 2 . In certain embodiments, the contact resistance of the interfaces is between 0.001 and 0.2, 0.005 and 0.1, or 0.01 and 0.05 ohm cm 2 .

Des Weiteren wird eine Reihe von Verfahren zum Wachsen lassen der korrosionsbeständigen Oxidfilmschichten hierin offenbart. In wenigstens einer Ausführungsform schließt das Verfahren das Wachsen lassen des Fe2O3-Oxidfilms auf dem rostfreien Stahl durch die Verwendung eines Verfahrens auf Lösungsbasis ein. Eine Hydrolyse kann bei 80 bis 100°C in einem Wasserbad mit einer unterschiedlichen Alterungszeit von 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 oder 60 Minuten durchgeführt werden. In einer oder mehreren der Ausführungsformen wird eine Hydrolyse bei 25 bis 100°C in einem Wasserbad mit einer Alterungszeit von zwischen 1 Minute und 120 Minuten durchgeführt. Die Reaktionszeit kann ebenfalls von 2 bis 96 Stunden variieren und kann gemäß einigen Ausführungsformen zwischen 24 und 72 Stunden dauern. Das Vorhandensein eines Fehaltigen Vorläufers, wie FeCl3, mit einer Säure, wie HCl, HNO3, H2SO4, kann zusätzlich zur Steuerung der Keimbildung bei verschiedenen Oberflächenfacetten-Formationen beitragen. Das Verfahren auf Lösungsbasis kann weiterhin eine Säure- und/oder Basenbehandlung mit einem anderen Typ von oxidierenden und/oder reduzierenden chemischen Agentien einschließen.A number of methods for growing the corrosion resistant oxide film layers are also disclosed herein. In at least one embodiment, the method includes growing the Fe 2 O 3 oxide film on the stainless steel using a solution-based method. Hydrolysis can be carried out at 80 to 100 ° C in a water bath with different aging times of 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 or 60 minutes will. In one or more of the embodiments, hydrolysis is carried out at 25 to 100 ° C. in a water bath with an aging time of between 1 minute and 120 minutes. The reaction time can also vary from 2 to 96 hours and, according to some embodiments, can be between 24 and 72 hours. The presence of a containing precursor such as FeCl 3 with an acid such as HCl, HNO 3 , H 2 SO 4 can additionally help control the nucleation of various surface facet formations. The solution-based process can further include acid and / or base treatment with another type of oxidizing and / or reducing chemical agent.

Ein alternatives Verfahren zum Wachsen lassen des bzw. der hierin offenbarten Fe2O3-Oxidfilms(e) schließt elektrochemische Verfahren ein. Gemäß einem solchen Verfahren kann rostfreier Stahl poliert und mit einem organischen Lösungsmittel, wie Ethanol, gereinigt und dann elektrochemisch oxidiert werden. Die Arbeitselektrode ist typischerweise rostfreier Stahl, wobei die Gegen- und Referenzelektroden in Abhängigkeit von den Spannungsfenstern variieren können. Typischerweise können bzw. kann Pt-Folie und/oder Ag/AgCl (mit gesättigtem KCl) als Gegen- und Referenzelektroden verwendet werden. Die eingetauchte elektrolytische Lösung kann eine Säure mit einer variierten Konzentration sein (z. B. 0,01 bis 1 M Schwefelsäure), wobei der exakte pH-Wert (der von pH-Wert 1 bis 13 reicht) nach Bedarf angepasst oder neutralisiert werden kann. Das elektrochemische Verfahren kann ferner die Verwendung von sauren und/oder basischen Lösungen, wie HCl, H2SO4, HClO4, NaOH und KOH, einschließen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.An alternative method of growing the Fe 2 O 3 oxide film (s) disclosed herein includes electrochemical methods. According to such a method, stainless steel can be polished and cleaned with an organic solvent such as ethanol and then oxidized electrochemically. The working electrode is typically stainless steel, and the counter and reference electrodes can vary depending on the voltage windows. Typically, Pt foil and / or Ag / AgCl (with saturated KCl) can be used as counter and reference electrodes. The immersed electrolytic solution can be an acid with a varied concentration (e.g. 0.01 to 1 M sulfuric acid), the exact pH (which ranges from pH 1 to 13) being adjusted or neutralized as required . The electrochemical process can also include, but is not limited to, the use of acidic and / or basic solutions such as HCl, H 2 SO 4 , HClO 4 , NaOH and KOH.

Noch ein weiteres Verfahren zum Wachsen lassen des bzw. der hierin offenbarten Fe2O3-Oxidfilms(e) schließt eine Wärmebehandlung ein. Rostfreier Stahl kann in einem Kammerofen bei Temperaturen, die von 150 bis 900°C variieren, in der Gegenwart eines milden Oxidationsmittels, wie Luft oder Sauerstoff, wärmebehandelt werden. Das Wärmebehandlungsverfahren kann ferner die Einstellung der Erwärmungs- und/oder Abkühlungsrate auf 1 bis 10 Grad pro Minute einschließen. Der Abühlungsvorgang kann durch einen natürlichen Abkühlungs- oder einen raschen Abschreckungsschritt bewerkstelligt werden.Yet another method of growing the Fe 2 O 3 oxide film (s) disclosed herein includes heat treatment. Stainless steel can be heat treated in a box furnace at temperatures varying from 150 to 900 ° C in the presence of a mild oxidizing agent such as air or oxygen. The heat treatment process can further include adjusting the heating and / or cooling rate to 1 to 10 degrees per minute. The cooling process can be accomplished by a natural cooling or a rapid quenching step.

Während die BPP einer PEMFC als eine geeignete Anwendungsmöglichkeit für die weiter oben dargelegten korrosionsbeständigen Eisenoxide beschrieben wurde, können die offenbarten Oxidschichten desgleichen für weitere Anwendungen geeignet sein. Zum Beispiel können die offenbarten korrosionsbeständigen Oxidfilme als Teil eines Oberflächenbereichs im Rahmen anderer industrieller Anwendungen verwendet werden, die ein chemisch inertes, leitfähiges Material erfordern, wie Batterien, Photovoltaik, Verbraucher- bzw. Unterhaltungselektronik, und/oder wo ansonsten ein leitendes und inertes Oxid vorteilhaft wäre. Des Weiteren kann ein Oberflächenbereich einer anwendbaren Vorrichtung einen relativ dünnen korrosionsbeständigen Oxidfilm in der Weise einschließen, dass der Film transparent ist. Das Material kann so als ein transparenter leitender Oxidfilm fungieren, der zum Beispiel in der Photovoltaik genutzt werden kann.While the BPP of a PEMFC has been described as a suitable application for the corrosion-resistant iron oxides set out above, the oxide layers disclosed may be suitable for other applications as well. For example, the disclosed corrosion resistant oxide films can be used as part of a surface area in other industrial applications that require a chemically inert, conductive material, such as batteries, photovoltaics, consumer electronics, and / or where otherwise a conductive and inert oxide is advantageous would. Furthermore, a surface area of an applicable device may include a relatively thin, corrosion-resistant oxide film such that the film is transparent. The material can thus act as a transparent conductive oxide film that can be used, for example, in photovoltaics.

Es wurden zwar beispielhafte Ausführungsformen oben stehend beschrieben, doch ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr ist der in der Patentschrift verwendete Wortlaut ein beschreibender Wortlaut und bedeutet keine Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen. Des Weiteren können die Merkmale von verschiedenen Durchführungen der Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung auszubilden.While exemplary embodiments have been described above, it is not intended that these embodiments describe all possible forms of the invention. Rather, the wording used in the specification is descriptive and not restrictive, and it is understood that various changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Furthermore, the features of different implementations of the embodiments can be combined to form further embodiments of the invention.

Claims (20)

Korrosionsbeständiges Substrat, umfassend: einen Massenbereich; und einen Oberflächenbereich, der eine Fe2O3-Oxidschicht mit (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-0berflächenfacetten einschließt, die so konfiguriert sind, um dem Substrat Korrosionsbeständigkeitseigenschaften zu verleihen; wobei die Fe2O3-Oxidschicht zwischen 0,001 und 0,5 µm dick ist und die (110)-, (012)- und (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten mehr als 50% des Oberflächenbereichs des Substrats bedecken.A corrosion resistant substrate comprising: a mass range; and a surface region including an Fe 2 O 3 oxide layer having (110), (012), or (100) Fe 2 O 3 surface facets configured to impart corrosion resistance properties to the substrate; wherein the Fe 2 O 3 oxide layer is between 0.001 and 0.5 µm thick and the (110), (012) and (100) -Fe 2 O 3 surface facets cover more than 50% of the surface area of the substrate. Substrat von Anspruch 1, wobei der Oberflächenbereich einen schützenden Überzug einschließt, umfassend MgO, Al2O3, TiO2 oder ZrO2.Substrate of Claim 1 wherein the surface area includes a protective coating comprising MgO, Al 2 O 3 , TiO 2 or ZrO 2 . Substrat von Anspruch 1, wobei der Oberflächenbereich ferner einen schützenden Überzug mit einer Struktur einschließt, beschrieben durch: ABOx, wobei A Mg, Al, Ti oder Zr ist, B Zn, Sn, Cr oder Mo ist und x eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis 8 ist.Substrate of Claim 1 wherein the surface area further includes a protective coating having a structure described by: ABO x , where A is Mg, Al, Ti or Zr, B is Zn, Sn, Cr or Mo and x is an integer ranging from 1 to 8. Substrat von Anspruch 1, wobei der Massenbereich rostfreier Stahl ist, der zwischen 10 und 20% Chrom und 5 bis 10% Nickel umfasst.Substrate of Claim 1 wherein the mass range is stainless steel comprising between 10 and 20% chromium and 5 to 10% nickel. Substrat von Anspruch 1, wobei dessen elektrische Leitfähigkeit größer als etwa 100 S cm-1 ist.Substrate of Claim 1 , the electrical conductivity of which is greater than about 100 S cm -1 . Substrat von Anspruch 1, wobei der Oberflächenbereich eine Korrosionsbeständigkeit von weniger als 1 µA cm-2 bei 80 °C, einem pH-Wert zwischen 2 und 3 und in der Gegenwart von etwa 0,1 ppm HF einschließt.Substrate of Claim 1 wherein the surface area includes a corrosion resistance of less than 1 µA cm -2 at 80 ° C, a pH between 2 and 3, and in the presence of about 0.1 ppm HF. Substrat von Anspruch 1, wobei die Fe2O3-Oxidschicht zwischen 0,15 und 0,3 µm dick ist.Substrate of Claim 1 , the Fe 2 O 3 oxide layer being between 0.15 and 0.3 µm thick. Substrat von Anspruch 1, wobei die Fe2O3-Oxidschicht eine erste Oberflächenfacettengruppe, die (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten einschließt, und eine zweite Oberflächenfacettengruppe, die (001)- oder (101)-Fe2O3-Oberflächenfacetten einschließt, umfasst.Substrate of Claim 1 wherein the Fe 2 O 3 oxide layer includes a first surface facet group, the (110), (012) or (100) -Fe 2 O 3 surface facets, and a second surface facet group, the (001) or (101) -Fe 2 O 3 surface facets. Substrat von Anspruch 8, wobei die Fe2O3-Oxidschicht zwischen 70% und 90% der ersten Oberflächenfacettengruppe und zwischen 10% und 30% der zweiten Oberflächenfacettengruppe umfasst.Substrate of Claim 8 wherein the Fe 2 O 3 oxide layer comprises between 70% and 90% of the first surface facet group and between 10% and 30% of the second surface facet group. Bipolare Platte für eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, umfassend: ein Metallsubstrat mit einem Massenbereich und einem Oberflächenbereich, der eine Fe2O3-Oxidschicht mit (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten einschließt, die so konfiguriert sind, um dem Substrat Korrosionsbeständigkeitseigenschaften zu verleihen; wobei die Fe2O3-Oxidschicht zwischen 0,001 und 0,5 µm dick ist und wobei die Korrosionsbeständigkeit des Oberflächenbereichs weniger als 1 µA cm-2 bei 80 °C, einem pH-Bereich zwischen 2 und 3 und in der Gegenwart von etwa 0,1 ppm HF beträgt.A bipolar plate for a proton exchange membrane fuel cell comprising: a metal substrate having a mass area and a surface area including an Fe 2 O 3 oxide layer with (110), (012), or (100) Fe 2 O 3 surface facets, configured to impart corrosion resistance properties to the substrate; the Fe 2 O 3 oxide layer being between 0.001 and 0.5 µm thick and the corrosion resistance of the surface area being less than 1 µA cm -2 at 80 ° C, a pH range between 2 and 3 and in the presence of about 0 , 1 ppm HF. Bipolare Platte von Anspruch 10, wobei die elektrische Leitfähigkeit des Metallsubstrats größer als etwa 100 S cm-1 ist.Bipolar plate of Claim 10 , wherein the electrical conductivity of the metal substrate is greater than about 100 S cm -1 . Bipolare Platte von Anspruch 10, wobei der Massenbereich rostfreier Stahl ist, welcher zwischen 10 und 20% Chrom und 5 bis 10% Nickel umfasst.Bipolar plate of Claim 10 wherein the mass range is stainless steel which comprises between 10 and 20% chromium and 5 to 10% nickel. Bipolare Platte von Anspruch 10, wobei der Oberflächenbereich ferner einen schützenden Überzug einschließt, der MgO, Al2O3, TiO2 oder ZrO2 umfasst.Bipolar plate of Claim 10 wherein the surface area further includes a protective coating comprising MgO, Al 2 O 3 , TiO 2, or ZrO 2 . Bipolare Platte von Anspruch 10, wobei der Oberflächenbereich ferner einen schützenden Überzug mit einer Struktur einschließt, beschrieben durch: ABOx, wobei A Mg, Al, Ti oder Zr ist, B Zn, Sn, Cr oder Mo ist und x eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis 8 ist.Bipolar plate of Claim 10 wherein the surface area further includes a protective coating having a structure described by: ABO x , where A is Mg, Al, Ti or Zr, B is Zn, Sn, Cr or Mo and x is an integer ranging from 1 to 8. Bipolare Platte von Anspruch 10, wobei die Fe2O3-Oxidschicht zwischen 0,15 und 0,3 µm dick ist.Bipolar plate of Claim 10 , the Fe 2 O 3 oxide layer being between 0.15 and 0.3 µm thick. Bipolare Platte von Anspruch 10, wobei die Fe2O3-Oxidschicht eine erste Oberflächenfacettengruppe, die (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten einschließt, und eine zweite Oberflächenfacettengruppe, die (001)- oder (101)-Fe2O3-Oberflächenfacetten einschließt, umfasst.Bipolar plate of Claim 10 wherein the Fe 2 O 3 oxide layer includes a first surface facet group, the (110), (012) or (100) -Fe 2 O 3 surface facets, and a second surface facet group, the (001) or (101) -Fe 2 O 3 surface facets. Bipolare Platte von Anspruch 16, wobei die Fe2O3-Oxidschicht zwischen 70% und 90% der ersten Oberflächenfacettengruppe und zwischen 10% und 30% der zweiten Oberflächenfacettengruppe umfasst.Bipolar plate of Claim 16 wherein the Fe 2 O 3 oxide layer comprises between 70% and 90% of the first surface facet group and between 10% and 30% of the second surface facet group. Verfahren zur Herstellung eines korrosionsbeständigen Substrats aus rostfreiem Stahl mit einem Massenbereich und einem Oberflächenbereich, der eine Fe2O3-Oxidschicht mit (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten einschließt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Reinigen eines Substrats aus rostfreiem Stahl mit einem organischen Lösungsmittel; und elektrochemisches Oxidieren des Substrats aus rostfreiem Stahl zur Bildung eines korrosionsbeständigen Oberflächenbereichs, der eine Fe2O3-Oxidschicht von zwischen 0,001 und 0,5 µm Dicke mit (110)-, (012)- oder (100)-Fe2O3-Oberflächenfacetten einschließt, die mehr als 50% des Oberflächenbereichs des Substrats bedecken.A method of making a corrosion-resistant stainless steel substrate having a bulk area and a surface area including an Fe 2 O 3 oxide layer having (110), (012), or (100) Fe 2 O 3 surface facets, the method Comprises: cleaning a stainless steel substrate with an organic solvent; and electrochemically oxidizing the stainless steel substrate to form a corrosion resistant surface area comprising an Fe 2 O 3 oxide layer between 0.001 and 0.5 µm thick with (110), (012) or (100) -Fe 2 O 3 -Includes surface facets covering greater than 50% of the surface area of the substrate. Verfahren gemäß Anspruch 18, ferner umfassend das Abscheiden eines schützenden Überzugs, welcher MgO, Al2O3, TiO2 oder ZrO2 umfasst, auf den Oberflächenbereich des Substrats.Procedure according to Claim 18 , further comprising depositing a protective coating comprising MgO, Al 2 O 3 , TiO 2 or ZrO 2 on the surface area of the substrate. Verfahren gemäß Anspruch 18, ferner umfassend das Abscheiden eines schützenden Überzugs mit einer Struktur, beschrieben durch: ABOx, wobei A Mg, Al, Ti oder Zr ist, B Zn, Sn, Cr oder Mo ist und x eine ganze Zahl im Bereich von 1 bis 8 ist.Procedure according to Claim 18 , further comprising depositing a protective coating having a structure described by: ABO x , where A is Mg, Al, Ti or Zr, B is Zn, Sn, Cr or Mo and x is an integer ranging from 1 to 8.
DE102020209052.1A 2019-07-31 2020-07-20 CORROSION-RESISTANT OXIDE FILMS AND APPLICATION FOR BIPOLAR FUEL CELL PLATE Pending DE102020209052A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/527,847 US11205783B2 (en) 2019-07-31 2019-07-31 Fuel cell bipolar plate including corrosion-resistant ferric oxide layer
US16/527,847 2019-07-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020209052A1 true DE102020209052A1 (en) 2021-02-04

Family

ID=74174841

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020209052.1A Pending DE102020209052A1 (en) 2019-07-31 2020-07-20 CORROSION-RESISTANT OXIDE FILMS AND APPLICATION FOR BIPOLAR FUEL CELL PLATE

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11205783B2 (en)
CN (1) CN112310428A (en)
DE (1) DE102020209052A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112786898B (en) * 2021-02-22 2022-03-01 天能电池集团股份有限公司 Preparation method of positive plate and lead storage battery
CN114023986B (en) * 2021-09-28 2022-12-16 上海治臻新能源股份有限公司 Composite coating for fuel cell titanium substrate bipolar plate and preparation method thereof

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0708295B1 (en) 1994-10-21 1999-01-07 Energy Support Corporation Apparatus for forming protective films in water feed pipes of boiler
US5814164A (en) 1994-11-09 1998-09-29 American Scientific Materials Technologies L.P. Thin-walled, monolithic iron oxide structures made from steels, and methods for manufacturing such structures
JP3011077B2 (en) * 1995-10-31 2000-02-21 住友金属工業株式会社 High weather resistant steel
US6084146A (en) 1996-09-12 2000-07-04 Consolidated Edison Company Of New York, Inc. Immobilization of radioactive and hazardous contaminants and protection of surfaces against corrosion with ferric oxides
KR100964131B1 (en) * 2001-09-18 2010-06-16 가부시키가이샤 후루야긴조쿠 Bipolar plate for fuel cell and method for production thereof
US20060182989A1 (en) * 2005-02-15 2006-08-17 Nucor Corporation Thin cast strip with protective layer, and method for making the same
EP1850412A1 (en) * 2006-04-26 2007-10-31 Technical University of Denmark A multi-layer coating
JP5412462B2 (en) * 2011-04-19 2014-02-12 日本パーカライジング株式会社 Corrosion-resistant alloy coating film for metal material and method for forming the same
WO2016046295A1 (en) * 2014-09-26 2016-03-31 Sandvik Intellectual Property Ab A bipolar fuel cell plate
US10276878B2 (en) * 2016-07-08 2019-04-30 GM Global Technology Operations LLC Coated aluminum bipolar plate for fuel cell applications

Also Published As

Publication number Publication date
US11205783B2 (en) 2021-12-21
US20210036335A1 (en) 2021-02-04
CN112310428A (en) 2021-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2636447C2 (en) Manganese dioxide electrodes
DE102016105963B4 (en) Coated fuel cell separator and manufacturing method for a coated fuel cell separator
DE102010015745B4 (en) A method of coating a surface of a fuel cell plate
DE3118320A1 (en) CATALYTIC BODY AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
DE102004050921A1 (en) Electrochemical cell useful in fuel cell technology has an electrode and an electrically conductive contact element which has an electrically conductive coating
DE19842396A1 (en) Electrically-conductive diamond layer forming electrode for electrochemical generation of ozone and ultra-pure water
DE102010045552A1 (en) Conductive and hydrophilic bipolar plate coatings and process for their preparation
EP3532654B1 (en) Use of a bipolar plate and of a porous transport layer in an electrolyser
DE112018001227T5 (en) Electrocatalyst for the hydrogen evolution reaction
DE102020209052A1 (en) CORROSION-RESISTANT OXIDE FILMS AND APPLICATION FOR BIPOLAR FUEL CELL PLATE
DE2720291C3 (en) Accumulator with an aqueous bromide electrolyte
DE3507071A1 (en) DURABLE ELECTRODES FOR ELECTROLYSIS AND METHOD FOR THEIR PRODUCTION
DE2113676C2 (en) Electrode for electrochemical processes
DE102020207808A1 (en) CONDUCTIVE, CORROSION-RESISTANT MATERIAL
DE102020213780A1 (en) CONDUCTIVE, ANTICORROSIVE MAGNESIUM-TITANOXIDE MATERIAL
DE102020213953A1 (en) CONDUCTIVE, ANTICORROSIVE MAGNESIUM-TITANOXIDE MATERIAL
DE102019220358A1 (en) ANTI-CORROSIVE AND CONDUCTIVE MATERIAL
DE2710802C3 (en) Process for the production of electrodes for electrolytic cells
DE112019002046T5 (en) Anodic oxidizer, anodic oxidizer method, and method of manufacturing the cathode of the anodic oxidizer
DE102013224900A1 (en) Metal chalcogenide thin-film electrode, process for its preparation and use
CN111607805B (en) High-life anode material
DE102020126795A1 (en) Oxygen evolution catalyst, production and use thereof, membrane electrode assembly and fuel cell or electrolytic cell
DE102019133872A1 (en) Fuel cell or electrolyzer
DE102015101249A1 (en) A process for producing an electrocatalyst for an electrode of an electrochemical cell, electrochemical reactor and electrocatalyst for an electrochemical cell
WO2003026036A2 (en) Coated metal object in the form of a plate and used as component of a fuel cell stack

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed